高性能低能耗，浪潮信息集中式存儲全閃平臺揭秘

北京2023年8月3日 /美通社/ -- 當前，伴隨千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，由服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等組成的數(shù)據(jù)中心，作為支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，迎來高速發(fā)展。關(guān)于存儲，NAND全閃介質(zhì)的SSD固態(tài)硬盤因其高性能、高可靠、低能耗的特點，可滿足人們對更快速、更安全、更綠色的存儲需求，且隨著Flash顆粒單位容量成本不斷降低，SSD固態(tài)硬盤正在加速替代磁介質(zhì)的HDD機械硬盤成為市場主流存儲介質(zhì)。

如何應(yīng)用好更強性能的SSD硬盤，卻并非易事

首先，在SSD硬盤高性能下，以往面向磁盤設(shè)計的傳統(tǒng)存儲操作系統(tǒng)的時延，在整體IO時延占比達到90%以上，存儲系統(tǒng)性能瓶頸已經(jīng)從后端硬盤轉(zhuǎn)移到存儲軟件棧，SSD硬盤的性能無法充分展現(xiàn)。其次，由于NAND Flash顆粒具有需要將數(shù)據(jù)先擦除后寫入的特點，而NAND Flash顆粒的可擦寫次數(shù)有限，導(dǎo)致SSD硬盤的壽命受其限制，且隨著NAND Flash顆粒容量密度的增加，擦寫次數(shù)越來越少（如MLC和TLC介質(zhì)的可擦寫次數(shù)相差約5倍）。另外，雖然Flash顆粒單位容量成本不斷降低，但SSD硬盤的容量成本仍然比HDD硬盤高。

如何充分發(fā)揮出SSD硬盤的性能優(yōu)勢、高效利用擦寫次數(shù)以保證其壽命、降低單位有效容量的成本，與SSD硬盤相適應(yīng)的存儲全閃軟件棧成為解決這些問題的關(guān)鍵所在。浪潮信息面向閃存介質(zhì)創(chuàng)新設(shè)計的集中式存儲全閃棧，通過ROW追加寫、全局垃圾回收算法、盤控協(xié)同等技術(shù)，釋放SSD介質(zhì)性能，創(chuàng)新加速存儲業(yè)務(wù)增長。

性能和壽命兼得

ROW (Redirect on write)追加寫

浪潮信息集中式存儲全閃棧采用ROW (Redirect on write)追加寫的方式，每次寫IO都重新分配空間，并將隨機小塊IO湊成大塊IO，達到滿足RAID滿條帶寫的條件后落盤，這樣就避免了RAID寫流程中的讀懲罰，并降低了寫懲罰，即降低校驗數(shù)據(jù)更新頻率，從而簡化和縮短了數(shù)據(jù)寫流程，提高了IO執(zhí)行效率，有利于數(shù)據(jù)寫請求快速下發(fā)至SSD硬盤，發(fā)揮SSD的性能，縮短IO時延。同時也降低了寫入SSD硬盤的總數(shù)據(jù)量和IO總數(shù)量，減少SSD硬盤的擦寫次數(shù)，保證其壽命。

RAID滿條帶寫的方式，也解決了RAID各盤上數(shù)據(jù)寫入量和寫入頻率不均衡導(dǎo)致的熱點問題，從而避免熱點盤頻繁擦寫甚至擦寫次數(shù)快速耗盡，保證SSD硬盤的壽命；也避免熱點盤上IO壓力變大、IO時延變長，成為性能的瓶頸盤風(fēng)險，有利于存儲系統(tǒng)的性能發(fā)揮。

ROW追加寫

全局垃圾回收

ROW追加寫產(chǎn)生的老數(shù)據(jù)（即垃圾數(shù)據(jù)）所占用的空間需要被回收用以保存新寫的數(shù)據(jù)。對于不全是垃圾數(shù)據(jù)的空間，需要將其中的有效數(shù)據(jù)進行遷移，并修改對應(yīng)的元數(shù)據(jù)，這就意味著要盡量減少垃圾回收過程中搬遷的數(shù)據(jù)量。同時需要盡量搬遷較冷的數(shù)據(jù)（短時間內(nèi)成為垃圾數(shù)據(jù)概率低的數(shù)據(jù)），避免搬遷的數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)變?yōu)槔鴶?shù)據(jù)，提高遷移操作的價值。另外，相同冷熱程度的數(shù)據(jù)，較短時間間隔內(nèi)都發(fā)生更新從而變?yōu)槔鴶?shù)據(jù)的概率較大，相應(yīng)的保存這些數(shù)據(jù)的空間內(nèi)的無效率數(shù)據(jù)就會更多，意味著需要搬遷的數(shù)據(jù)更少，有利于垃圾回收高效的回收空間。

浪潮信息集中式存儲全閃棧采用創(chuàng)新的全局垃圾回收算法，全局實時監(jiān)測已用單位空間中的無效數(shù)據(jù)含量、有效數(shù)據(jù)權(quán)重（冷熱程度等），全局查找無效數(shù)據(jù)更多、有效數(shù)據(jù)更冷的空間進行回收，減少空間回收時的搬遷數(shù)據(jù)量，降低遷移數(shù)據(jù)短時間變?yōu)槔鴶?shù)據(jù)的概率。同時，根據(jù)數(shù)據(jù)冷熱程度預(yù)判，將元數(shù)據(jù)、新寫的數(shù)據(jù)和GC搬遷的數(shù)據(jù)區(qū)分存放，從而提高垃圾回收效率，降低對系統(tǒng)性能和SSD硬盤壽命的影響。

盤控協(xié)同

浪潮信息集中式存儲全閃棧利用SSD硬盤提供的多流技術(shù)，下發(fā)IO時也將這些數(shù)據(jù)的冷熱分類標記下發(fā)至SSD硬盤，SSD硬盤將不同分類的數(shù)據(jù)分區(qū)存放，提高硬盤內(nèi)垃圾回收的效率，降低盤內(nèi)NAND的擦寫磨損，延長其壽命，并保障其性能。

支持前后端UNMAP功能

前端UNMAP功能配合主機軟件，全閃棧將主機軟件UNMAP區(qū)域的數(shù)據(jù)標記為無效數(shù)據(jù)，相應(yīng)空間可以被回收，既提高空間有效利用率，又提高全閃棧的全局垃圾回收效率。同時，全閃棧全局垃圾回收功能回收空間時，利用后端UNMAP功能，配合SSD硬盤通知它相應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)無效，從而增加SSD硬盤內(nèi)無效數(shù)據(jù)量，減少SSD硬盤內(nèi)垃圾回收的搬遷數(shù)據(jù)量，提高SSD硬盤垃圾回收的效率。

元數(shù)據(jù)管理

ROW追加寫、全局垃圾回收和重刪、UNMAP等特性，在實際業(yè)務(wù)中，觸發(fā)元數(shù)據(jù)隨時隨刻被訪問和發(fā)生變化，全閃存儲系統(tǒng)性能的發(fā)揮需要高效的元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的支撐。浪潮信息集中式存儲全閃棧通過元數(shù)據(jù)讀寫緩存，結(jié)合log、B+樹和hash表的組織方式和智能管理算法，提高元數(shù)據(jù)查找和更新的效率，保證IO在軟件棧中的執(zhí)行效率，充分發(fā)揮后端SSD硬盤的性能。

智能資源調(diào)度

浪潮信息集中式存儲全閃棧中創(chuàng)新的智能資源調(diào)度技術(shù)，對IO任務(wù)中內(nèi)聚性高的業(yè)務(wù)進行分組，并跟CPU分組進行親和性綁定，減少不同業(yè)務(wù)之間的影響，提高各業(yè)務(wù)執(zhí)行效率，更充分有效的利用CPU資源，發(fā)揮軟件棧的能力，將業(yè)務(wù)壓力更及時的下發(fā)到SSD硬盤，充分發(fā)揮SSD硬盤的性能優(yōu)勢。

性價比和能效比之選

浪潮信息集中式存儲全閃棧支持全局重刪、字節(jié)級硬件壓縮、數(shù)據(jù)拼接、模式數(shù)據(jù)識別等數(shù)據(jù)縮減功能，數(shù)據(jù)縮減比可達5:1，以更低的價格和能耗提供更高的單位有效容量。通過智能感知業(yè)務(wù)壓力自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)縮減算法，達到數(shù)據(jù)縮減功能開啟后對性能影響小于20%。

近年來，浪潮信息基于存儲即平臺戰(zhàn)略，圍繞客戶應(yīng)用需求變化，打造集中式和分布式全閃存儲兩大平臺型產(chǎn)品。同時推出具有單端口和雙端口兩種形態(tài)的新一代SSD高速存儲介質(zhì)，并支持全路徑端到端保護和國內(nèi)外加密算法，使數(shù)據(jù)更持久可靠，通過多檔精細功耗調(diào)節(jié)實現(xiàn)能耗比提升15%~37%，通過極致可靠設(shè)計提升故障后數(shù)據(jù)恢復(fù)率，進一步保障數(shù)據(jù)安全，實現(xiàn)數(shù)據(jù)永不丟失。

浪潮信息堅持推動從介質(zhì)到軟件棧到系統(tǒng)的全方位閃存化升級。以極致的技術(shù)創(chuàng)新，滿足用戶性能、安全、低能耗需求，持續(xù)釋放數(shù)據(jù)價值，助力千行百業(yè)的用戶數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。