平頭哥首顆自研企業(yè)級(jí)SSD主控芯片“鎮(zhèn)岳510”揭秘：更懂云計(jì)算，更懂云上應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心可以看作是一臺(tái)大號(hào)的計(jì)算機(jī)，而云計(jì)算同樣也符合馮諾依曼結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)設(shè)備中取出，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到計(jì)算單元，運(yùn)算結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至存儲(chǔ)設(shè)備中保存。 因此要實(shí)現(xiàn)更高性能的運(yùn)算，更高效地支持LLM等新興應(yīng)用，算力、網(wǎng)力和存力，三者缺一不可。

當(dāng)算力向著異構(gòu)計(jì)算方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增加、網(wǎng)絡(luò)向著更快速方向演進(jìn)，進(jìn)入400GE、800GE時(shí)代時(shí)，作為寸力代表的SSD，又有什么樣的技術(shù)趨勢(shì)？平頭哥在2023年阿里云棲大會(huì)上給出了答案——旗下首顆自研SSD主控芯片“鎮(zhèn)岳510”正式發(fā)布。

云計(jì)算應(yīng)用追新逐日，數(shù)據(jù)基座面臨存力挑戰(zhàn)

存力指的是存儲(chǔ)設(shè)備的能力，主要有性能、能效、可靠性和時(shí)延四個(gè)方面的指標(biāo)。對(duì)于SSD而言，性能通常指的是讀寫帶寬和讀寫IOPS；能效比指的是每消耗一瓦功耗可以提供多少的性能；可靠性指的是SSD的糾錯(cuò)能力，通常用UBER表示，也就是每讀取多少筆數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一次數(shù)據(jù)糾錯(cuò)失??；時(shí)延則是指的SSD從收到命令到返回響應(yīng)的時(shí)間。

據(jù)平頭哥產(chǎn)品總監(jiān)周冠鋒介紹，新興應(yīng)用對(duì)于云計(jì)算中的存力提出了更高的要求。

作為計(jì)算數(shù)據(jù)來源和結(jié)果數(shù)據(jù)的目的地，SSD吞吐率的高低將直接制約整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的性能；云上的一個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求通常會(huì)被分散到多個(gè)SSD中并發(fā)執(zhí)行，任何一塊SSD的時(shí)延抖動(dòng)都會(huì)造成這個(gè)那個(gè)業(yè)務(wù)的請(qǐng)求延遲。此外，更高的存儲(chǔ)密度、更好的能效表現(xiàn)，同樣不可或缺。

今天發(fā)布的鎮(zhèn)岳510是平頭哥旗下第一顆SSD主控芯片，支持先進(jìn)的PCIe 5.0接口和DDR5.0技術(shù)，內(nèi)置玄鐵910 RISC-V多核CPU，采用平頭哥自研緊耦合芯片架構(gòu)，對(duì)SSD任務(wù)進(jìn)行高度抽象，可固化任務(wù)硬化為加速算子以提升性能。

據(jù)悉，鎮(zhèn)岳510每秒可處理高達(dá)340萬筆IO，每瓦功耗可提供42萬筆IO訪問。相比目前主流的PCIe 4.0SSD，鎮(zhèn)岳510在相同的性能下，僅主控芯片即每年節(jié)省260萬度電，按照一度電排放0.785千克二氧化碳計(jì)算，每年可減少二氧化碳排放2千噸。

鎮(zhèn)岳510還內(nèi)置了創(chuàng)新的IO自動(dòng)化處理機(jī)制，前端IO解析與處理，由專用硬件模塊自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的超低的時(shí)延（4μs），可以帶給應(yīng)用極佳的體驗(yàn)，比業(yè)界SSD降低30%以上。

在可靠性方面，鎮(zhèn)岳510內(nèi)置了平頭哥自研的高性能LDPC糾錯(cuò)算法，編碼效率逼近香農(nóng)極限，同時(shí)ErrorFlow相比業(yè)內(nèi)SSD更優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)；借助平頭哥自研閃存電壓預(yù)測(cè)算法，可以在各種閃存的不同工況、壽命、溫度等條件下，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)閃存電壓漂移，進(jìn)一步降低LDPC解碼器的輸入誤碼率。其實(shí)現(xiàn)了低至10^-18的UBER，相當(dāng)于每讀取百億億筆數(shù)據(jù)，才可能有一筆數(shù)據(jù)糾錯(cuò)失敗。

雖然算力是越高越好，但其實(shí)不同的上層應(yīng)用，對(duì)于底層的數(shù)據(jù)基座也有著差異化的需求。例如AI推理，更關(guān)注帶寬和時(shí)延這兩個(gè)參數(shù)；而AI推理，則更看重IOPS這個(gè)參數(shù)。而說到對(duì)于云上業(yè)務(wù)場(chǎng)景的理解，以及對(duì)于未來云計(jì)算技術(shù)趨勢(shì)的判斷，作為阿里云的獨(dú)立芯片公司，平頭哥是非常了解的。

鎮(zhèn)岳510的定義和架構(gòu)：靈活性和高效計(jì)算之間的平衡之術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)緊密的軟硬件耦合，從而達(dá)到整體更高的數(shù)據(jù)中心下效能，底層的SSD芯片在設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到上層應(yīng)用的IO模型。

對(duì)于產(chǎn)品定義，平頭哥內(nèi)部架構(gòu)團(tuán)隊(duì)花了超過半年的時(shí)間反復(fù)審度，最終確定了鎮(zhèn)岳510的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在靈活性和高效之間實(shí)現(xiàn)了最佳的平衡。

首先對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的選擇上，2023年是企業(yè)級(jí)SSD從PCIe4.0向PCIe5.0邁進(jìn)的元年，因此平頭哥提前規(guī)劃了這顆支持PCle5.0的SSD底座芯片。

而在靈活性和高效的平衡上，業(yè)界每一家SSD主控芯片的設(shè)計(jì)都有所不同，主要分為“命令流”和“數(shù)據(jù)流”兩種。所謂的命令流，就是類似于純SoC，更多的依賴CPU跑各種軟件來實(shí)現(xiàn)命令的解析、拆分、各種表象管理以及后端應(yīng)用組裝下發(fā)等工作。這種方式擁有更高的靈活性。所謂的數(shù)據(jù)流，就是類似于當(dāng)前鎮(zhèn)岳510這樣進(jìn)行硬件大幅度卸載的設(shè)計(jì)方案，通過專門的硬件加速器來運(yùn)行特定的工作任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于鎮(zhèn)岳510而言，選擇哪些功能卸載到硬件加速器上去跑，哪些仍然在CPU中去處理，就是一個(gè)非常棘手的問題。把所有的任務(wù)都放在專門硬件加速器中去做，就會(huì)主控芯片的喪失靈活性，而某些工作任務(wù)放在CPU中去處理，又得不到更好的加速。如何取舍？這需要對(duì)于云上應(yīng)用場(chǎng)景的深刻理解。

據(jù)周冠鋒分享，平頭哥的SSD芯片的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在前在設(shè)計(jì)前期是經(jīng)過了大量的多種方案的對(duì)比，最終選擇了當(dāng)前一個(gè)最平均、最平衡的設(shè)計(jì)方案——既能通過硬件加速獲得高效，同時(shí)又把一些關(guān)鍵的軟件任務(wù)仍然留使用CPU來運(yùn)行，這樣獲得靈活性。

為云而生，軟硬件緊密耦合開啟軟件定義閃存時(shí)代

作為一款SSD主控芯片，鎮(zhèn)岳510是為SSD而生，更是了云而生，最終是為了云上應(yīng)用而生。以應(yīng)用作為最終目的，將SSD與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行緊密的軟硬件耦合，這才是鎮(zhèn)岳510這塊硬件拼圖的使命。

作為一家云服務(wù)商，阿里云擁有全棧的軟件核心技術(shù)，而鎮(zhèn)岳510在芯片層面也和阿里云的軟件層面進(jìn)行了一些配合，實(shí)現(xiàn)諸多對(duì)于云計(jì)算非常有價(jià)值的關(guān)鍵特性。

首先，鎮(zhèn)岳510支持定制化ZNS協(xié)議，通過存儲(chǔ)軟件與NAND特性完美契合，達(dá)到數(shù)據(jù)排布的最優(yōu)化，后臺(tái)操作的最小化，從而進(jìn)一步消除SSD接口稅。

其次，鎮(zhèn)岳510提供了IO粒度的優(yōu)先級(jí)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了全鏈路QoS優(yōu)化。延遲敏感型與帶寬敏感型IO實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化的區(qū)分處理，從而提升了延遲敏感型IO的SLA。

第三，鎮(zhèn)岳510支持智能卸載功能。將可靠性計(jì)算任務(wù)卸載至SSD，實(shí)現(xiàn)全路徑存儲(chǔ)語義校驗(yàn)，同時(shí)也減輕了服務(wù)器主機(jī)算力開銷。

將采用鎮(zhèn)岳510主控的“鎮(zhèn)岳SSD”與阿里云的統(tǒng)一存儲(chǔ)平臺(tái)“飛天盤古”相結(jié)合，就組成了阿里云從芯片到系統(tǒng)的全棧自研分布式存儲(chǔ)。兩者協(xié)同增強(qiáng)了云存儲(chǔ)的靈活性，并推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向軟件定義閃存的方向邁進(jìn)。