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智存储 · 驭未来 - 企业级 SSD 的应用新趋势探讨
2021-03-31

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近期,由陕西省西咸新区开发建设管理委员会、陕西省西安市科学技术局指导,陕西省西咸新区秦汉新城管理委员会、陕西省西咸新区工业和信息化局(科学技术局)主办,西安奥卡云数据科技有限公司、北京百易数字技术有限公司承办的“2021智能存储论坛暨奥卡云存储产品发布会”在西咸新区秦汉新城成功举办。此次会议旨在推动智能数据存储技术的交流与发展,促进存储与数据市场稳健成长,活动为期一天,吸引了线上线下逾千名业内人士关注。

作为国内企业级 SSD 产品领导企业,得瑞领新产品副总裁康雷就“企业级 SSD 的应用新趋势”这一主题积极思考并展开讨论,主要围绕以下几方面展开探讨:

·          NAND and other emerging memories

·          Computational Storage

·          NVMe Updates


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NAND and other emerging memories


首先,过去几年一些新介质在实用和新的场合都有了不同的进展。比较常见的是 PCM -相变存储技术、MRAM-基于磁阻的技术和 ReRAM。


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对于 PCM 技术,大家可能比较熟悉,比如英特尔 3DX Point 就是其中的一种;MRAM 技术,目前有一些公司在开发,比如 Everspin,并且与国内的一些公司也有合作;然后是 ReRAM。下图是大概两年前一个相对乐观的预期。比如说 2020~2025年之间 ReRAM 是否能替代 Nand,目前来看还做不到这一点,另外,用 MRAM 来替代 DRAM,目前看到的困难也比想的大。但相对来说,这是大家公认的趋势。


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下图是不同存储介质从 Memory 到 Storage 类型的一个分布。左边是 CPU SRAM,右边是磁带,从左到右速度越来越慢,容量越来越大,离 CPU 越来越远。在过去几十年的技术发展中,存储技术相对来说主要集中在最左边或者最右边,中间部分 Nand 是近20年才开始变得成熟。而 Nand 左侧的 XP DIMMs/ReRAM 等技术,则是过去几年才刚开始浮现的。想要把途中的各种 Memory 技术能梯度组合在一起,而且运用非常好,还是有一定难度。


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目前有很多公司在做类似的尝试,比如奥卡云就在用 3DX Point 做新的高性能存储。当然也有一些公司会采用偏保守的策略,需要 Memory 时,会简单粗暴的直接在 PCIe 上挂更多的 DRAM,但我们相信,未来这种分层存储一定是发展的方向。

目前我们看到比较明确的趋势是 MRAM 可能会作为 Cache 放在 SSD/ HDD/ Storage 中,而且很多大厂已经开始把 MRAM 作为嵌入式存储,替代 eflash 放在芯片中。PCM、3DX Point 和傲腾,应用于高性能 SSD,或者作为 Persistent Memory 等。


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Computational Storage


可计算存储近两年发展非常快,包括像 SNIA 工作组也成立了 Computational Storage Work Group。可计算存储主要解决什么问题呢?首先,传统计算机结构里,需要把数据从 Storage 搬到 Memory,然后被 CPU 处理之后再放回 Storage,这样的数据搬移过程其实花费了大量总线带宽、运算资源能耗。随着大数据的普及,数据搬移的成本会越来越高,还可能带来一些安全性问题,这都需要我们去解决。

那为什么不把计算单元搬到数据端,这样一来就能解决上述提到的一些问题。所以现在有很多应用开始从计算为中心 Compute-Centric 迁移到 Data-Centric。举两个场景比较适合的例子,比如说人脸识别,类似于这种模式识别或 Pattern matching 的运算,特别适合于把计算单元搬过来存储单元附近。假如说硬盘里有1万张人脸信息,用匹配的 Pattern 直接在硬盘里 scan,匹配之后随即触发报警机制,然后上报,而不是把1万张人脸的数据信息搬到 Memory 再去做计算。

另外一个例子是人工神经网络和机器学习。人工神经网络本质上是一个通过非常多的小运算单元来做非线性拟和的算法,它有非常多神经元,而这也是为什么 GPU 更擅长于神经网络计算。GPU 本质上有一个强调并行运算的处理架构,从新一代神经网络模型计算角度来讲,Data-Centric 的架构更加适合于新的计算模式和新的科技发展。现在大量神经网络学习除了在使用 GPU 之外,也发展了一些更适合于神经网络计算的原生性架构。这些原生的用于神经网络计算的架构,就是让数据和神经元的权重计算靠近,省掉各种数据搬运的操作,这样的思路,可以想象在存储端的技术进步中也会应用过来。


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目前跟 SSD 相关的可存储计算有一些简单的框架,如下图所示。左上角把一个 computational processor 直接放到 SSD 盘做可存储计算的卸载,比如说加密或者压缩算法等。左下角是一些公司在做的进一步尝试。如果说某项应用在今后被广泛应用,可以把它做成一个 ASIC:把可存储计算和 SSD Controller 放在一起,这也是一种实现方式。

也可以考虑做一个可存储计算能力性能比较强的板卡,可覆盖多个SSD可存储运算的卸载需求,这样就是 Host 去连接这个可存储运算板卡,然后再挂一些 SSD,这就是下图中间的一种模式。


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另外,某些可存储运算并不是刚需,因此我们不把它放在 Host 和 SSD 主存储路径的关键路径上,而是比如挂在 PCIe 总线上,仅仅在需要时把数据送过来做卸载,不需要时,还是按照传统存储进行。


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NVMe Updates


下面再谈一下关于 NVMe 标准的更新,以及一些新的发展趋势。首先,下图展示了近几年 SSD 根据 NVMe 标准快速演进的过程,从2016年1.2、2017年1.3、2019年1.4,然后2.0也即将推出。可以看出,这是一个不断丰富和完善的标准,同时也反映出这个行业的变化非常迅速。


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NVMe 标准从一开始就是个非常简明优雅高效的标准。经过近些年的发展,NVMe 标准也陆续推出很多版本,加进很多新特性,希望能够覆盖到越来越多的应用场景。这时 NVMe 组织依然想保持他们标准的简洁优雅高效,所以在推出2.0时会做一些 refractor。

首先,NVMe 定义了一个基本的 Spec,然后制定标准定义可扩展模块,这样一来,用户在实际部署和开发产品的时候,可以根据自己的需要去选择使用哪些标准。再者,就是一些可选的命令集,比如 KV 的 Command Set 还是 ZNS Command Set 等。第三,是关于传输架构。最初的 NVMe 是基于 PCIe 架构,但在发展过程中,我们越来越意识到其实需要把存储做池化,把远端的存储拉到近端,这样就有了 NVMe Over Fabric。刚开始可能都在运用一些传统的,例如像 RDMA 这种技术,但这需要重新改造现有网络。为什么不再推出一个能够跑在以太网上面的传输协议?因此后来就有了 NVMe Over TCP/IP。最后是管理接口。这样来看,整个 NVMe 标准基于 Base Spec,延伸出一些可以模块化的标准,供大家自由选择。


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NVMe 标准的更新中 ZNS 受到很多人的关注。ZNS 可以理解为是对 Open Channel 概念的吸收。Open Channel 的目的是把 SSD 和 flash 颗粒的能力呈现到 Host,让 Host 能够更加高效的利用底层存储介质,从而提高产品的效率。

NVMe 新标准也会做一些分区管理,用来降低各个区不同区块之间的噪音影响,提升 QoS,而且会降低整个 TCO。


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NVMe Over Fabric 技术可以非常好的解决远端存储的延迟问题,可以最大可能的解决存储池化的问题。通过这些技术,可以实现比较高性能的存储池资源分享,而且数据的进入和移动都变得比较方便。下图可以在某种程度上来展示这种情况。

首先从下图可以看到,通过 NVMe Over Fabric,Host 可以比较灵活的迁移(假如说从一个机房里的 rack 到另外一个 rack),并不需要做物理的改动,提升了整个机房的管理灵活性,给运维工作带来极大的好处。


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关于得瑞


北京得瑞领新科技有限公司(简称 DERA)于2015年正式成立,是一家从事企业级 NVMe SSD 主控及模组产品研发的创业公司,总部位于北京,同时在上海、武汉和深圳设有研发中心和客户技术支持中心。公司技术团队由业界IC专家和资深工程师组成,具有丰富的工程及成熟的产品化能力,技术团队架构完整,包含从芯片设计,固件研发,板卡设计,算法,上层软件设计及技术支持等团队,其核心成员具有多年研发经验和多项研发成果,拥有从底层算法到芯片设计,再到解决方案设计等多方面的丰富经验。

DERA 专注于存储领域控制器芯片及 SSD 产品开发与销售,紧跟国际半导体存储行业趋势,掌握了业界多项关键技术,拥有多项国内外核心发明专利。公司已经成功开发两代控制器芯片并产品化,应用于数据库、虚拟化、金融、分布式存储、云计算、大数据、人工智能金融、政府机关等关系国家安全和国计民生的关键行业,基于第二代控制器芯片和长江存储 NAND 的 SSD 产品将于今年量产,第三代企业级主控芯片EMEI正在设计中,计划于今年下半年流片。


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DERA 得瑞领新面向全球信息化大数据建设的需求,面向国际信息技术前沿,以创新发展为主题,以产业发展为主线,以体系建设为目标,坚持自主创新、自主研发、自主可控、掌握存储领域软硬件的核心技术,为全球信息大数据产业及工业信息化的创新发展提供高性能、高可靠、高稳定、低成本、低功耗的 SSD 产品,带领整个存储产业走向国际化道路,打破国外品牌垄断国内市场的局面,致力于成为世界级存储领域中最可靠、最值得尊敬的存储芯片及方案公司。