[交易处理和云计算需要更快的SSD] 云计算与大数据处理
时间：2020-03-11 07:29:40 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
尽管机电硬盘的容量一直在持续上升，但是这种旋转型存储技术不能提供要求苛刻的企业应用所需的、非常高的存取时间或传输速率性能。这类企业应用包括联机交易处理、数据挖掘和云计算。基于闪存存储器的固态硬盘(SSD)可提供快得多的数据随机存取和更快的传输速率。此外，SSD的容量现在已经达到了能取代旋转型磁盘的程度。不过连接SSD的主机接口依然是提高性能的瓶颈。基于PCI Express(PCIe)的SSD与新出现的称为NVMe(Non-VolatileMemory express)的标准有望解决这一接口瓶颈问题。
现在真正的问题是，需要存储技术能配得上过去20年处理器性能的激增。英特尔等厂商在持续提高处理器内核的性能，以将多个内核合并到一个IC上，同时在不断开发能在多处理器系统中紧密耦合多个IC的技术。最终，在这样一种系统中，所有内核都需要访问同一个存储子系统。
企业IT经理渴望使用多处理器系统，因为多处理器系统有可能增加系统可以处理的每秒I／O操作(IOPS)次数，而且在功耗方面，还有可能增加每瓦IOPS(IOPS／W)数。假定处理组件能及时地进行数据存取，那么相对于给定成本和功耗而言，这种多处理计算能力的增强就有助于实现更好的IOPS性能。处理器在工作中等待数据，会浪费时间和金钱。存储的层次
当然，在一个系统中有多种层次的存储技术，这些技术最终将代码和数据馈送给每一个处理器内核。一般而言，每个内核包括以内核速度运行的本地高速缓存存储器。一个芯片中的多个内核共用二级、有时还有三级高速缓存。DRAM为高速缓存提供数据。DRAM和高速缓存的存取时间及数据传输性能已经提高了，以与处理器性能相匹配。
就存取时间和数据传输速率而言，问题出在DRAM和旋转型存储系统之间存在的性能差距上。为了设计和制造容量更高、每G B成本更低的硬盘，硬盘厂商已经做了大量工作。但是，在能以多快的速度存取数据、然后能以多快的速度将该数据传输给DRAM方面，这类驱动器受到一些固有的限制。
存取时间取决于硬盘能多快地在所要求的磁盘数据磁道上移动读出磁头，还取决于数据所在扇区移动到磁头下方所发生的旋转延迟。最大传输速率由磁盘的旋转速度和数据编码方法决定，这两个因素一起决定了每秒能从磁盘读取多少字节数。
在读取和传输顺序数据时，硬盘性能相对较好。但是随机寻道操作引入了延迟。而且，即使顺序读取操作也无法满足最新的处理器对数据的强烈需求。
同时，执行金融交易等联机交易处理的企业系统以及在客户关系管理等应用中挖掘数据的企业系统，都需要高度随机化的数据存取。云计算也有随机存取需求，而且一般而言，随着虚拟化等技术的部署，单一系统可容纳的、能在同一时间处于运行状态的不同应用增加了，因此这种随机存取问题会越来越突出。每一微秒的延迟都直接关系到金钱损失、处理器的低效率使用以及系统功耗的增大。
幸运的是，闪存存储器有可能弥合DRAM和旋转型存储系统之间的性能差距。闪存的速度比DRAM慢，但是每GB存储成本较低。尽管闪存的存储成本比磁盘存储系统高，但是企业会愿意支付多出的费用，因为闪存还提供高得多的MB／s吞吐量以及更快的随机数据存取，从而与旋转型存储系统相比，可实现更低的每IOPS成本。
闪存容量的提高及其合理的成本已经导致外形尺寸类似硬盘、里面装入闪存的SSD日益增多的趋势。此外，这类SSD最经常使用的是硬盘接口，例如，sATA(串行ATA)或SAS(串行附加SCSI)。SSD今天使用磁盘接口
硬盘的外形尺寸和接口使IT厂商能无缝地用SSD取代磁性硬盘。在系统硬件或驱动软件方面无须改变。IT经理只需改换到SSD，就能极大地缩短存取时间，并在一定程度上提高数据传输速率。
实际上，硬盘接口并不适用于基于闪存的存储系统。闪存能支持的数据传输速率高于磁盘接口的传输速率，即使是最新一代的磁盘接口也一样。另外，SSD制造商可以在一个2.5英寸的外形尺寸中装入足够多的闪存器件，以轻松超越为硬盘制定的功率规范。让我们更仔细地研究一下磁盘接口。今天，大多数主流系统使用第二代SATA和SAS接口(称为3.Gb／s接口)，这类接口提供300 MB／s的传输速率。第三代SATA和SAS将数据传输速率提高到了600M B／s，而且基于这一代接口的硬盘已经出现在企业系统中了。
尽管这样的接口数据传输速率能支持最快的机电硬盘，但是新的NAND闪存架构和多芯片闪存封装提供的总闪存带宽超过了SATA和SAS互连的吞吐能力。简言之，SSD的性能瓶颈已经从闪存器件转移到了主机接口。业界需要更快的主机互连，以充分利用闪存存储系统。
PCIe主机接口可以克服这种存储性能瓶颈，并通过将SSD直接连到PCIe主机总线，来提供无与伦比的性能。例如，一个第三代(G3)4线道(X4)PCIe链路(相关产品将于2012年批量交付)可以提供4G B／s的数据传输速率。此外，直接PCIe连接可以降低系统功率，并缩短由传统存储基础设施导致的延迟。
PCIe足以提供所需的存储带宽
显然，诸如PCIe这样的接口可以应对多通道闪存存储子系统的带宽需求，并提供额外的性能优势。使用磁盘接口的SSD还会受延迟问题的困扰，该问题是由处理磁盘I／O的存储控制器IC引起的。PCIe器件直接连到主机总线，从而消除了与传统存储基础设施有关的架构层。由于PCIe SSD的性能极富吸引力，因此顶级设备制造商已经在服务器以及存储阵列中放入了PCIe SSD，以建立分层的存储系统，这类系统既可以加快应用运行速度，又可以降低每IOPS成本。
将存储系统转移到PCIe链路给系统设计师带来了额外的挑战。正如之前提到的那样，基于SATA和SAS的产品保持了软件兼容性，有些系统设计师不愿意放弃这种优势。任何P C Ie存储方案都会导致需要一些新的驱动软件。
尽管存在软件问题，企业仍然在向PCIe存储系统迁移。企业的性能需求是这种转变的决定因素。IT经理要求提高IOPS、IOPS／W和lOPS／美元，而除了PCIe，没有显而易见的其他方法能实现这种改进。
用PCIe实现存储互连的好处是显然的。相对于SATA或SAS，使用PCIe可以实现超过5倍的数据吞吐量，而且也没有了SATA和SAS接口上的主机总线适配器和SERDES IC这类组件，从而节省了成本，并降低了系统级功率。此外，PCIe使存储系统更靠近处理器，从而减小了延迟。
因此，行业面临的问题确实不是 是否使用PCIe连接闪存存储系统的问题，而是怎样连接的问题。关于怎样连接，有几种选择，而且一些早期产品已经上市了。
实现PCIe SSD的权宣之计
最简单的实现方案是，利用现有闪存存储器控制器IC，这类IC尽管能控制存储器读和写操作，但是不支持系统I／O的概念。在基于SATA或SAS的现有SSD产品中，这类闪存控制器一般会位于磁盘接口IC之后。
或者，可以在主处理器上运行闪存管理软件，以使简单的闪存控制器能跨P C Ie互连起作用。这种方法不是最理想的。首先，这种方法消耗主机处理资源和存储器资源，这些资源在理想情况下会处理更多10PS。其次，这种方法需要专有驱动软件，而且引起了设备制造商的资格问题。第三，这种方法不提供可引导的驱动，因为必须为闪存管理软件执行和实现存储方案而引导系统。最后，由于对系统资源的需求日益增大，所以这种架构是不可扩展的。
显然，在短期内，这些设计都会在专门市场上取得成功。今天，这些产品主要用作硬盘的高速缓存，而不是作为取代高性能硬盘的主流产品。
具本机Pcle的ssD控制器将使PCIeSSD成为主流
从较长期来看，更可靠、更高效率的PCIe SSD设计将依靠一种复杂的SoC，这种SoC须本机支持PCIe并集成闪存控制器功能，且须彻底实现这种存储设备的概念。这类产品会将处理闪存管理的任务从主CPu和存储器中卸载下来，并最终实现支持即插即用操作的标准OS驱动软件，就像我们今天使用SATA和SAS一样。
确实，NVMe标准最终将为PCIe连接的SSD提供即插即用功能。NVMe1.0规范由逾80个业界公司合作制定，2011年3月由NVMHC工作组发布，现在该工作组更常称为NVMe2工作组。该规范为PCIe SSD定义了优化的寄存器接口、命令集和功能集。其目标是，促进PCIe SsD的广泛采用，并提供一种可扩展的接口，以在现在和将来实现sSD技术的性能潜力。NVMe 1.0规范可以从网站www.省略下载。
NVMe规范专门为多内核系统设计进行了优化，这类系统同时运行多个线程，同时每个线程都能引起I／O操作。NVMe规范的优化很有针对性，它确实仅为IT经理希望用来提高IOPS的方案而进行了优化。NVMe规范可以支持多达64000个I／O队列，同时每个队列有多达64000条命令。每个处理器内核都可以建立自己的队列。
2011年6月，NVM e推进者组织(NVMe Promoter Group)成立，以促进面向PCIe SSD的NVMe标准的广泛采用。7家业界领先公司将在委员会中占有永久性席位：思科、戴尔、EMC、IDT、英特尔、NetApp和甲骨文。其他6个席位将从NVMHCI工作组成员公司中选出。NVMe成为主流技术之前，仍然有工作要做，不过众多业界参与者提供的广泛支持几乎保证，该技术将成为高性能SSD互连的标准。支持者包括IC制造商、闪存存储器制造商、操作系统厂商、服务器制造商、存储子系统制造商和网络设备制造商。
在未来一年到一年半中，随着面向最流行的操作系统的驱动软件的出现，对NVMe的支持也将逐一到位。此外，IDT等公司将提供实现NVMe所需的SoC型企业闪存控制器。PCIe-SSD的外形尺寸
NVMe标准未涉及ssD外形尺寸的问题，这是另一个问题，将由另一个工作组来研究。在企业级存储系统中，诸如硬盘和SsD等设备一般是可从外部访问的，而且支持热插拔功能。之所以需要热插拔功能，部分原因是，硬盘本质上是机械性的，一般失效会比IC早。热插拔功能允许非常容易地替换失效的硬盘。
而对于SSD，IT经理和存储厂商会希望保留可从外部访问的模块化方法。采用这样的方法，可以非常容易地增加存储容量，无论是增加SsD，还是用容量更大的ssD取代现有SSD。
确实，还有另外一些标准化组织在研究外形尺寸的问题。SSD外形尺寸工作组(SSD Form Factor WorkingGroup)(WWW.省略)专注于促进PCIe成为SSD互连标准。该工作组由NVMe推进者组织的5家成员公司领导，分别是戴尔、EMC、富士通、IBM和英特尔。
该外形尺寸工作组2010年秋季成立，专注于以下3个领域的工作：
・支持PCIe以及SAS／SATA的连接器规范；
・以目前的2.5英寸标准为基础开发的外形尺寸，该外形尺寸同时支持新的连接器定义，并扩展功率规范以支持更高的性能；
・支持热插拔功能。
NVMe标准的基本构件即将全部就位，PCIe连接的SSD将获得更广泛的采用，该技术将为企业应用带来的性能改进也将兑现。尽管关注点一直更偏向于企业，但是NVMe标准也一定会逐步渗透到客户端系统中，从而提高甚至是笔记本电脑这类客户端系统的性能，并降低成本和系统功率。随着兼容IC和驱动软件的出现，该标准将促进PCIe SSD技术获得广泛的应用。
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