可編程技術(shù)釋放了閃存在企業(yè)級應用的潛能

當今的企業(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)負載，導致數(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今工作負載的需求。應用規(guī)劃人員的反應是，采用整體分析方法對存儲器進行規(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(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)鍵任務應用，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?？煽啃砸恢笔欠恋K閃存在企業(yè)級應用的一個問題。在消費類產(chǎn)品中，從蜂窩電話到PC，廣泛而又成功的應用閃存在一定程度上解決了這類問題。雖然在消費類應用中得到了驗證，但是，很多企業(yè)級應用的特性，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)級應用中通過軟件找到了利用更經(jīng)濟的MLC閃存的方法?？梢圆捎肦AID算法和增強ECC保護功能來降低MLC可靠性帶來的風險。

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能力很強的可編程邏輯器件進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)等標準是非常關(guān)鍵的，這些標準在服務器群和系統(tǒng)之間提供了高效的管道。而這些標準與其對應的存儲器類型一樣，發(fā)展都非常快。因此，任何基于閃存的子系統(tǒng)都應該考慮這種發(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，能夠靈活的響應這些標準的變化和發(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，必須要仔細考慮替代方案。傳統(tǒng)的ASSP和ASIC器件選擇缺乏應對快速發(fā)展的閃存市場所需要的靈活性。對于大部分應用，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，快速靈活的做出應對，適應新出現(xiàn)的存儲器類型，以及標準的變化。

作為對比，F(xiàn)PGA等可編程IC非常適合基于閃存的企業(yè)級應用。FPGA的開發(fā)周期非常短，而且成本低，風險低，能夠迅速適應需求的變化，利用新出現(xiàn)的存儲器技術(shù)和接口標準，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。當今的PLD采用了最高級的硅片工藝節(jié)點進行制造，體現(xiàn)了性能最好的半導體技術(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

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，延時達到亞微秒，每個機架大于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，不會出現(xiàn)停機。

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校驗模型要比傳統(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，應對新出現(xiàn)的存儲器類型和標準的不斷變化等，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、靈活性和適應性。