可編程技術(shù)釋放了閃存在企業(yè)級(jí)應(yīng)用的潛能

當(dāng)今的企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)子系統(tǒng)正面臨實(shí)質(zhì)性的變革。大量的企業(yè)數(shù)據(jù)和交易信息每年都會(huì)增加50-60%。云計(jì)算和虛擬化功能的快速發(fā)展能夠更有效的管理這些越來(lái)越多的數(shù)據(jù)負(fù)載，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)模都出現(xiàn)了爆炸式的增長(zhǎng)。隨著企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)呈指數(shù)增長(zhǎng)，迫切需要提高存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的性能、容量和價(jià)值。

系統(tǒng)管理人員發(fā)現(xiàn),主要依靠硬盤(pán)介質(zhì)的傳統(tǒng)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)在性能上無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今工作負(fù)載的需求。應(yīng)用規(guī)劃人員的反應(yīng)是，采用整體分析方法對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行規(guī)劃，在企業(yè)領(lǐng)域結(jié)合了傳統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)和新介質(zhì)——閃存。消費(fèi)類(lèi)器件一直以來(lái)采用的存儲(chǔ)器介質(zhì)是NAND閃存，在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中，其性能比硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(HDD)高出10至100倍。閃存也是高性?xún)r(jià)比的非易失存儲(chǔ)介質(zhì)，常用于數(shù)據(jù)應(yīng)用中。通過(guò)使用閃存陣列，企業(yè)能夠大幅度減小存儲(chǔ)體積、CPU的數(shù)量以及軟件許可數(shù)量，從而降低了數(shù)據(jù)中心運(yùn)行所需的總功耗、空間和運(yùn)營(yíng)成本。

這一高性能存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的核心是基于PLD的可編程狀態(tài)機(jī)(PSM)。PSM支持RAID算法(保證數(shù)據(jù)完整性所必須的)、存儲(chǔ)器控制和高速I(mǎi)/O功能。由于其內(nèi)在的設(shè)計(jì)靈活性、嵌入式處理器、硬核存儲(chǔ)器控制器以及高速串行I/O模塊，可編程邏輯器件在實(shí)現(xiàn)這些狀態(tài)機(jī)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)?；赑LD的PSM所支持的閃存體系結(jié)構(gòu)平衡了數(shù)據(jù)完整性、系統(tǒng)更新和可服務(wù)能力的性能要求，從而幫助數(shù)據(jù)中心管理人員滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的存儲(chǔ)資源需求。

利用存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)

可以把某些存儲(chǔ)子系統(tǒng)中的各種類(lèi)型的存儲(chǔ)器及其扮演的角色看成是一種層次結(jié)構(gòu)，按照性能、成本和容量來(lái)排列(圖1)。按性能排列，其最高端是嵌入式處理器存儲(chǔ)器和L1/L2高速緩存。相對(duì)的另一端是磁帶備份，其容量非常大，而成本很低，但是速度很慢。其間是存儲(chǔ)子系統(tǒng)的主要介質(zhì)：相對(duì)較快但是昂貴的DRAM、有些慢但是相對(duì)低廉而容量較大的Flash RAM，以及HDD——存儲(chǔ)器系統(tǒng)中傳統(tǒng)上主要的存儲(chǔ)介質(zhì)。

圖1：存儲(chǔ)器類(lèi)型層次結(jié)構(gòu)。

當(dāng)今的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)混合了這一層次結(jié)構(gòu)中的各類(lèi)存儲(chǔ)器。有些系統(tǒng)可能含有幾類(lèi)存儲(chǔ)器，而其他的則只是一兩類(lèi)。某一系統(tǒng)中所含有的存儲(chǔ)器類(lèi)型及其數(shù)量取決于數(shù)據(jù)量、處理工作負(fù)載以及其他因素。對(duì)于企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心等需要大量數(shù)據(jù)和I/O的應(yīng)用，需要采用較多的存儲(chǔ)器類(lèi)型。HDD存儲(chǔ)器一直是而且今后仍然是主要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)。但是，對(duì)于性能要求很高的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，閃存由于其優(yōu)異的性能和具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的價(jià)格，替代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)存儲(chǔ)介質(zhì)。

企業(yè)級(jí)應(yīng)用的閃存

在企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中引入閃存并非一蹴而就。可靠性一直是妨礙閃存在企業(yè)級(jí)應(yīng)用的一個(gè)問(wèn)題。在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中，從蜂窩電話(huà)到PC，廣泛而又成功的應(yīng)用閃存在一定程度上解決了這類(lèi)問(wèn)題。雖然在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，但是，很多企業(yè)級(jí)應(yīng)用的特性，例如，金融交易處理等，都要求確保數(shù)據(jù)的完整性。通過(guò)在基于閃存的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用RAID算法，即使是最敏感的應(yīng)用，也能夠保證數(shù)據(jù)完整性。

系統(tǒng)規(guī)劃人員還需要在各種類(lèi)型的閃存中進(jìn)行選擇。目前有兩種常用的閃存：多層電荷(MLC閃存)和單層電荷(SLC閃存)。MLC閃存支持兩種以上的狀態(tài)，而SLC只支持兩種。MLC價(jià)格也低于SLC。由于MLC閃存的電壓狀態(tài)會(huì)漂移，因此，很多企業(yè)級(jí)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)人員傾向于采用更可靠、成本更高一些的SLC閃存。開(kāi)發(fā)人員在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中通過(guò)軟件找到了利用更經(jīng)濟(jì)的MLC閃存的方法。可以采用RAID算法和增強(qiáng)ECC保護(hù)功能來(lái)降低MLC可靠性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

除了閃存，新類(lèi)型的存儲(chǔ)器也在不斷發(fā)展。相變存儲(chǔ)器的開(kāi)關(guān)時(shí)間比閃存更短，而且更靈活，目前還處于發(fā)展初期。PCM技術(shù)目前的容量還不及閃存，但在企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)器應(yīng)用中，最終有可能成為可實(shí)施的選擇。為能夠管理多種類(lèi)型的存儲(chǔ)器，并且采用新技術(shù)，在存儲(chǔ)器陣列子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，非常有必要采用靈活而且適應(yīng)能力很強(qiáng)的可編程邏輯器件進(jìn)行存儲(chǔ)器控制和管理。

另一考慮是閃存訪(fǎng)問(wèn)速度。一般而言，I/O和訪(fǎng)問(wèn)速度是存儲(chǔ)器系統(tǒng)性能的限制因素。支持PCI Express(PCIe)等標(biāo)準(zhǔn)是非常關(guān)鍵的，這些標(biāo)準(zhǔn)在服務(wù)器群和系統(tǒng)之間提供了高效的管道。而這些標(biāo)準(zhǔn)與其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器類(lèi)型一樣，發(fā)展都非?？?。因此，任何基于閃存的子系統(tǒng)都應(yīng)該考慮這種發(fā)展趨勢(shì)。PLD，特別是提供PCIe內(nèi)核以及其他優(yōu)化接口的PLD，能夠靈活的響應(yīng)這些標(biāo)準(zhǔn)的變化和發(fā)展。

FPGA技術(shù)

開(kāi)發(fā)人員在尋找實(shí)現(xiàn)閃存陣列的存儲(chǔ)器控制功能和I/O接口的方法時(shí)，必須要仔細(xì)考慮替代方案。傳統(tǒng)的ASSP和ASIC器件選擇缺乏應(yīng)對(duì)快速發(fā)展的閃存市場(chǎng)所需要的靈活性。對(duì)于大部分應(yīng)用，ASIC也由于過(guò)于昂貴而無(wú)法使用。相反，存儲(chǔ)子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員嘗試發(fā)揮閃存的優(yōu)勢(shì)，快速靈活的做出應(yīng)對(duì)，適應(yīng)新出現(xiàn)的存儲(chǔ)器類(lèi)型，以及標(biāo)準(zhǔn)的變化。

作為對(duì)比，F(xiàn)PGA等可編程IC非常適合基于閃存的企業(yè)級(jí)應(yīng)用。FPGA的開(kāi)發(fā)周期非常短，而且成本低，風(fēng)險(xiǎn)低，能夠迅速適應(yīng)需求的變化，利用新出現(xiàn)的存儲(chǔ)器技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)，例如PCIe等。采用目前的大容量可編程器件，還可以在多種存儲(chǔ)器類(lèi)型中內(nèi)置控制和接口功能，使得子系統(tǒng)能夠同時(shí)支持MLC和SFC閃存。也很容易在FPGA邏輯中實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的容錯(cuò)RAID算法。

相對(duì)于以前ASIC特有的一些特性，F(xiàn)PGA有明顯的性能和定制功能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)今的PLD采用了最高級(jí)的硅片工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行制造，體現(xiàn)了性能最好的半導(dǎo)體技術(shù)。例如，28-nm PLD接口現(xiàn)在能夠在高速數(shù)據(jù)接口上傳送數(shù)據(jù)，傳輸速率高達(dá)28 Gbps，滿(mǎn)足了PCIe、SAS/SATA和光纖通道等高速協(xié)議的性能要求。FPGA還具有軟核和硬核IP，例如，存儲(chǔ)器控制器、嵌入式處理器和收發(fā)器模塊，進(jìn)一步提高了性能，豐富了功能，提高了效率。最后，PLD封裝技術(shù)的進(jìn)步還提高了高速I(mǎi)/O端口的數(shù)量，以及通用I/O引腳的數(shù)量。

閃存高速緩存的可編程狀態(tài)機(jī)

存儲(chǔ)器陣列生產(chǎn)商Violin存儲(chǔ)器有限公司列出了存儲(chǔ)器陣列的以下高級(jí)屬性，其性?xún)r(jià)比非常高，滿(mǎn)足了下一代24x7企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心的需求：

* 性能：與HDD相比，在延時(shí)和每秒I/O操作(IOPS)上提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，例如，延時(shí)達(dá)到亞微秒，每個(gè)機(jī)架大于200K的IOPS，能夠更好的與處理器相匹配。

* 成本：采用固態(tài)存儲(chǔ)器，大幅度降低了每GB成本和每I/O成本。

* 可靠性：保證不會(huì)丟失企業(yè)數(shù)據(jù)(通過(guò)RAID算法)，系統(tǒng)連續(xù)服務(wù)，不會(huì)出現(xiàn)停機(jī)。

可以在基于每GB低成本NAND閃存的新一代存儲(chǔ)器陣列上實(shí)現(xiàn)這些屬性。其體系結(jié)構(gòu)采用了兩級(jí)閃存功能，閃存控制(vFLASH)和閃存RAID(vRAID)。閃存控制器利用了閃存轉(zhuǎn)換層面上的比特、模塊、平面和芯片級(jí)的閃存技術(shù)讀、寫(xiě)以及擦除操作和錯(cuò)誤狀態(tài)功能。VFLASH功能包括記錄結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)布局，以及閃存管理“垃圾收集”功能來(lái)釋放閃存空間。閃存RAID控制器應(yīng)超越傳統(tǒng)的RAID-1和RAID-5算法，以滿(mǎn)足閃存獨(dú)特的特性需求。例如，一個(gè)4+1校驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵葌鹘y(tǒng)的算法效率更高，延時(shí)更低，還能夠更高效的處理故障，而且不需要替換模塊。

閃存和RAID控制功能都能夠很好的采用FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖2)。在基于硅片的狀態(tài)機(jī)中，而不是采用傳統(tǒng)的微處理器/軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵算法，能夠大幅度降低延時(shí)。而且，如前所述，基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)非常靈活的設(shè)計(jì)，適應(yīng)閃存及其相關(guān)特性的快速發(fā)展。能夠以非常低的成本，非?？焖俚陌研略O(shè)計(jì)推向市場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)新機(jī)會(huì)。而且，利用存儲(chǔ)器控制器、收發(fā)器模塊以及存儲(chǔ)器和PCIe的高速接口等FPGA特性，在幾天或者幾星期的時(shí)間內(nèi)就能夠向市場(chǎng)推出很好的系統(tǒng)，這要比傳統(tǒng)的方法快得多。

圖2. 存儲(chǔ)器子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)的新模式

當(dāng)今的企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)需要閃存的性能和成本優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)其競(jìng)爭(zhēng)能力。與閃存相關(guān)的設(shè)計(jì)難題，例如，確保數(shù)據(jù)完整性，應(yīng)對(duì)新出現(xiàn)的存儲(chǔ)器類(lèi)型和標(biāo)準(zhǔn)的不斷變化等，可以通過(guò)采用基于FPGA的PSM實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器管理和I/O，來(lái)解決這些難題。FPGA技術(shù)和閃存相結(jié)合，即使是要求最高的工作負(fù)載，存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)劃人員也能夠滿(mǎn)足性能需求，保證系統(tǒng)的完整性、靈活性和適應(yīng)性。