可編程技術(shù)釋放了閃存在企業(yè)級應(yīng)用的潛能

 當(dāng)今的企業(yè)級存儲子系統(tǒng)正面臨實質(zhì)性的變革。大量的企業(yè)數(shù)據(jù)和交易信息每年都會增加50-60%。云計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。隨著企業(yè)級存儲呈指數(shù)增長，迫切需要提高存儲器子系統(tǒng)的性能、容量和價值。

系統(tǒng)管理人員發(fā)現(xiàn),主要依靠硬盤介質(zhì)的傳統(tǒng)存儲體系結(jié)構(gòu)在性能上無法滿足當(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存儲器進(jìn)行規(guī)劃，在企業(yè)領(lǐng)域結(jié)合了傳統(tǒng)的存儲介質(zhì)和新介質(zhì)——閃存。消費類器件一直以來采用的存儲器介質(zhì)是NAND閃存，在企業(yè)級應(yīng)用中，其性能比硬盤驅(qū)動器(HDD)高出10至100倍。閃存也是高性價比的非易失存儲介質(zhì)，常用于數(shù)據(jù)應(yīng)用中。通過使用閃存陣列，企業(yè)能夠大幅度減小存儲體積、CPU的數(shù)量以及軟件許可數(shù)量，從而降低了數(shù)據(jù)中心運行所需的總功耗、空間和運營成本。

這一高性能存儲器子系統(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)、存儲器控制和高速I/O功能。由于其內(nèi)在的設(shè)計靈活性、嵌入式處理器、硬核存儲器控制器以及高速串行I/O模塊，可編程邏輯器件在實現(xiàn)這些狀態(tài)機(jī)方面獨具優(yōu)勢?；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)中心管理人員滿足日益增長的存儲資源需求。

利用存儲層次結(jié)構(gòu)

可以把某些存儲子系統(tǒng)中的各種類型的存儲器及其扮演的角色看成是一種層次結(jié)構(gòu)，按照性能、成本和容量來排列(圖1)。按性能排列，其最高端是嵌入式處理器存儲器和L1/L2高速緩存。相對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。其間是存儲子系統(tǒng)的主要介質(zhì)：相對較快但是昂貴的DRAM、有些慢但是相對低廉而容量較大的Flash RAM，以及HDD——存儲器系統(tǒng)中傳統(tǒng)上主要的存儲介質(zhì)。

圖1：存儲器類型層次結(jié)構(gòu)。

當(dāng)今的存儲體系結(jié)構(gòu)混合了這一層次結(jié)構(gòu)中的各類存儲器。有些系統(tǒng)可能含有幾類存儲器，而其他的則只是一兩類。某一系統(tǒng)中所含有的存儲器類型及其數(shù)量取決于數(shù)據(jù)量、處理工作負(fù)載以及其他因素。對于企業(yè)級數(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器類型。HDD存儲器一直是而且今后仍然是主要的數(shù)據(jù)存儲和訪問介質(zhì)。但是，對于性能要求很高的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，閃存由于其優(yōu)異的性能和具有競爭優(yōu)勢的價格，替代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)存儲介質(zhì)。

企業(yè)級應(yīng)用的閃存

在企業(yè)級存儲系統(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)級應(yīng)用的一個問題。在消費類產(chǎn)品中，從蜂窩電話到PC，廣泛而又成功的應(yīng)用閃存在一定程度上解決了這類問題。雖然在消費類應(yīng)用中得到了驗證，但是，很多企業(yè)級應(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。通過在基于閃存的系統(tǒng)設(shè)計中采用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價格也低于SLC。由于MLC閃存的電壓狀態(tài)會漂移，因此，很多企業(yè)級應(yīng)用的開發(fā)人員傾向于采用更可靠、成本更高一些的SLC閃存。開發(fā)人員在企業(yè)級應(yīng)用中通過軟件找到了利用更經(jīng)濟(jì)的MLC閃存的方法?？梢圆捎肦AID算法和增強(qiáng)ECC保護(hù)功能來降低MLC可靠性帶來的風(fēng)險。

除了閃存，新類型的存儲器也在不斷發(fā)展。相變存儲器的開關(guān)時間比閃存更短，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)級存儲器應(yīng)用中，最終有可能成為可實施的選擇。為能夠管理多種類型的存儲器，并且采用新技術(shù)，在存儲器陣列子系統(tǒng)設(shè)計中，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)行存儲器控制和管理。

另一考慮是閃存訪問速度。一般而言，I/O和訪問速度是存儲器系統(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)與其對應(yīng)的存儲器類型一樣，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。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)

開發(fā)人員在尋找實現(xiàn)閃存陣列的存儲器控制功能和I/O接口的方法時，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)對快速發(fā)展的閃存市場所需要的靈活性。對于大部分應(yīng)用，ASIC也由于過于昂貴而無法使用。相反，存儲子系統(tǒng)開發(fā)人員嘗試發(fā)揮閃存的優(yōu)勢，快速靈活的做出應(yīng)對，適應(yīng)新出現(xiàn)的存儲器類型，以及標(biāo)準(zhǔn)的變化。

作為對比，F(xiàn)PGA等可編程IC非常適合基于閃存的企業(yè)級應(yīng)用。FPGA的開發(fā)周期非常短，而且成本低，風(fēng)險低，能夠迅速適應(yīng)需求的變化，利用新出現(xiàn)的存儲器技術(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，還可以在多種存儲器類型中內(nèi)置控制和接口功能，使得子系統(tǒng)能夠同時支持MLC和SFC閃存。也很容易在FPGA邏輯中實現(xiàn)關(guān)鍵的容錯RAID算法。

相對于以前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。當(dāng)今的PLD采用了最高級的硅片工藝節(jié)點進(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/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)

存儲器陣列生產(chǎn)商Violin存儲器有限公司列出了存儲器陣列的以下高級屬性，其性價比非常高，滿足了下一代24x7企業(yè)級數(shù)據(jù)中心的需求：

* 性能：與HDD相比，在延時和每秒I/O操作(IOPS)上提高了一個數(shù)量級，例如，延時達(dá)到亞微秒，每個機(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)存儲器，大幅度降低了每GB成本和每I/O成本。

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

可以在基于每GB低成本NAND閃存的新一代存儲器陣列上實現(xiàn)這些屬性。其體系結(jié)構(gòu)采用了兩級閃存功能，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、平面和芯片級的閃存技術(shù)讀、寫以及擦除操作和錯誤狀態(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，以滿足閃存獨特的特性需求。例如，一個4+1校驗?zāi)Ｐ鸵葌鹘y(tǒng)的算法效率更高，延時更低，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)來實現(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/軟件方法來實現(xiàn)關(guān)鍵算法，能夠大幅度降低延時。而且，如前所述，基于FPGA的實現(xiàn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)非常靈活的設(shè)計，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)計推向市場，發(fā)現(xiàn)新機(jī)會。而且，利用存儲器控制器、收發(fā)器模塊以及存儲器和PCIe的高速接口等FPGA特性，在幾天或者幾星期的時間內(nèi)就能夠向市場推出很好的系統(tǒng)，這要比傳統(tǒng)的方法快得多。

圖2. 存儲器子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

企業(yè)級存儲的新模式

當(dāng)今的企業(yè)級存儲系統(tǒng)需要閃存的性能和成本優(yōu)勢來實現(xiàn)其競爭能力。與閃存相關(guān)的設(shè)計難題，例如，確保數(shù)據(jù)完整性，應(yīng)對新出現(xiàn)的存儲器類型和標(biāo)準(zhǔn)的不斷變化等，可以通過采用基于FPGA的PSM實現(xiàn)存儲器管理和I/O，來解決這些難題。FPGA技術(shù)和閃存相結(jié)合，即使是要求最高的工作負(fù)載，存儲系統(tǒng)規(guī)劃人員也能夠滿足性能需求，保證系統(tǒng)的完整性、靈活性和適應(yīng)性。