Green-IT und Datenbanken - ODBMS

2.2.2 Energieeffizienz durch Flash-Speicher
2.2 Green IT und die Rolle der Datenbanken
Die Kombination von Solid State Disks (SSD und häufig auch NAND-Flash-Speicher
oder kurz Flash-Speicher genannt) und Datenbankmanagementsystemen (DBMS) ist
ein weiteres vielversprechendes Thema bezüglich Green IT und DBMS. Mit Flash-
Speichern kann nicht nur Energie gespart, sondern gleichzeitig auch die Performance
gesteigert werden. Schmidt et al. [SHKR08] sehen in Flash-Speichern die Zukunft
für Datenbanksysteme aufgrund der hohen Geschwindigkeit von Lese- und Schreiboperationen
und aufgrund des niedrigen Energieverbrauchs von Flash-Speichern im
Vergleich zu herkömmlichen Festplatten (HDDs) 4 . Schmidt et al. stellen Möglichkeiten
vor, wie die SSD-spezifischen Eigenschaften (größere Blockgröße, Schreiboperationen
langsamer als Leseoperationen) für die Verwendung in einem Datenbank-Server
genutzt werden können. Herausgehoben werden der niedrige Energieverbrauch und
die höhere Geschwindigkeit gegenüber HDDS bei wahlfreiem/direkten Speicherzugriff
(Random read).
Laut Schmidt et al. müssen DBMS-Algorithmen speziell für SSDs angepasst werden,
da bei einer SSD eine bereits beschriebene Seite (Page) in einem Block nicht
geändert, sondern nur neu geschrieben werden kann. Dazu muss allerdings der komplette
Block neu geschrieben werden. Dies macht Schreiboperationen verglichen mit
Leseoperationen aufwendig und damit teuer (SSD Write-Read-Asymmetrie). Diese
Probleme müssten bei dem Design von SSD-spezifischen I/O-Algorithmen bedacht
werden, so Schmidt.
Zudem nutzt eine SSD größere Blöcke (ein Block besteht aus 32 bis 128 Seiten und
die Größe einer Seite liegt im Bereich von 512 Byte und 2 KB) als ein DBMS (üblicherweise
4 KB bis 64 KB große Blöcke). Es wird empfohlen, bei DBMS-internen
Algorithmen erst mit dem teuren Löschen von Blöcken zu beginnen, wenn es keine
leeren Blöcke mehr gibt. In einem leeren Block kann sofort geschrieben werden, ohne
dass dieser vorher gelöscht werden muss. Als zweite Maßnahme sollte das DBMS
gewährleisten, dass SSD-Blöcke möglichst vollständig gefüllt werden, damit die Fragmentierung
gering gehalten wird. Um dies zu gewährleisten werden, Änderungen nicht
direkt in einem Block geschrieben, sondern die Änderungen werden gesammelt (flashaware
DB buffers) und erst bei einer ausreichend großen Datenmenge in einen Block
geschrieben, der dann vollständig gefüllt ist. In einer Fallstudie von Beckmann, Meyer,
Sanders und Singler 2010 [BMSS10], in der es zwar nicht um ein DBMS, aber
um das energieeffiziente Sortieren einer großen Datenmenge (JouleSort-Benchmark
[RSRK07]) geht, wurde dieses Problem so gelöst, dass beispielsweise nur große Datenmengen
auf einmal von einer SSD gelesen oder auf diese geschrieben werden. Zu
solchen Besonderheiten des Flash-Speichers bezüglich DBMS gibt es noch eine Reihe
weiterer Lösungsansätze in der Literatur [SOH09], [HOB09], [OH10], [SHH10],
4 Die Autoren geben keine genauen Werte an, aber in unseren Messungen benötigte die von uns
verwendete SSD gegenüber einer HDD ungefähr 10 Watt weniger im Leerlauf. Bei anderer Hardware
(vgl. [BMSS10]) wurden bei einem Vergleich zwischen HDD und SDD ein Unterschiede von
ungefähr 3 Watt im Leerlauf gemessen.
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