华为存储全闪存的“核芯”力量

金华威数码2018-11-08 11:56:51

毫无疑问,我们正在高速迈进以数据为中心的智能管理时代。不论是私人个性化的新闻阅读体验,还是企业从设计到生产和物流多个环节的精准控制,智能的数据管理、调度、挖掘和分析帮助我们基于用户需要提供定制化服务,改善用户体验;精细化控制每个环节,节省管理成本;重新定义商业模式,开拓新的商业机遇。


作为企业智能化转型的利器,全闪存天生高性能的优势,为加速关键业务带来新的动力。通过芯片、网络、管理的垂直整合,华为OceanStor Dorado构建了从前端多协智能议处理芯片、SSD智能控制芯片、智能设备管理芯片端到端的芯片平台,为全闪存存储带来创新的加速方案,加速业务性能3倍,实现资源最大化利用,最终向客户提供更强性能的产品。



SSD智能控制芯片

加速SSD盘内的数据读写


SSD作为闪存的核心部件和数据载体,其本身性能和稳定性对全闪存系统的能力起到了至关重要的作用。区别于CPU、内存等电器元件,SSD盘片的设计一般不依托于存储控制器,具有一定的独立性,主要由包含SSD Controller和DRAM在内的控制单元和NAND Flash存储单元组成。控制单元负责数据读写,采用FTL(Flash Translation Layer)保存用户LBA到SSD盘内物理页面的映射关系,存储控制器向SSD盘内读数据时自带一个LBA地址,通过保存在SSD Flash的控制软件查找到LBA地址对应的物理地址,然后再从Flash中读取对应的数据返回给主机;写入数据的时候,软件写入完毕后,再去更新FTL映射表。可见,FTL是整个SSD的核心,它决定了SSD数据读写的响应速度。



为了获得极致的闪存速度,华为创新的采用SSD控制器芯片加速SSD盘内的数据读写,它将FTL算法从SSD内部的控制软件层封装到SSD控制芯片内实现,所有读取和写入FTL的操作全部由芯片完成,减少软件交互次数,有效降低IO响应的时延。举个形象的例子,在windows 95时代,开启电脑需要加载一长串复杂的代码,等待2-3分钟才可进入开机界面;在window2010时代,电脑内置更强劲的CPU承担了代码加载的工作,所以我们不必再花费漫长的时间等待,瞬时就可进入开机界面。根据华为性能&兼容性实验室实测,在低负载场景下华为SSD的读时延低至80μs,仅为业界同类SSD的60%,性能优于友商近2倍。



然而,这就够了么?答案显然不是这样!依托创新的芯片,华为首创采用FlashLink技术,从SSD控制器芯片、SSD盘片、NVMe架构和专为闪存设计的存储操作系统端到端加速,保障在开启了重删、压缩、快照等增值特性后,仍然维持0.5ms的稳定时延,有效避免高峰期业务瓶颈,实现业务3倍加速。



特别值得一提的是,基于闪存设计的存储操作系统开发了创新的盘控配合算法。众所周知,垃圾回收是影响SSD盘性能的主要因素,如何有效的控制垃圾回收成为发挥SSD盘和闪存性能的关键。华为OceanStor Dorado全闪存基于自研的SSD和闪存操作系统,通过内部软件算法优化,让存储控制器能够实时了解SSD盘内的数据布局,并作出相应调整,从而使得存储控制器内的数据布局和SSD盘内的数据布局保持一致,控制器内的数据按照SSD盘内所需的格式写入到SSD盘内,有效避免了数据落入SSD盘后的搬迁与垃圾回收,保障了闪存系统的稳定高性能。这就是盘控配合算法的核心,具体的实现技术上采用了大块顺序写、元数据独立分区和端到端I/O优先级调整的手段,在后面几期详细为大家介绍。



基于SSD智能控制芯片和FlashLink技术,华为又快又稳全闪存OceanStor Dorado承载了SSD盘到存储控制器的加速,实现了0.5ms的稳定时延。


智能多协议接口芯片

加速前端网络端口数据读写


前端卡是存储必不可少的组件,应用数据通过它从服务器传输到存储阵列,目前业内可见的前端卡包括了8G/16G/32G FC,1/10/25/40/100 GE,10G FCoE等,每张前端卡仅能支持一种协议,不能灵活转换,无疑是一种浪费!为了更高效的使用前端卡,华为创新的采用了多协议接口芯片,它集成了GE/10GE/FC/FCoE多种协议接口,客户可将通过IP和FC协议承载的数据整合到同一个接口芯片中。在10GE或8/16G FC组网下只需要更换光模块部件,无需更换卡件,支持任意协议转换,极大增加了网络灵活性,降低了用户数据中心的网络建设和维护成本。


更为重要的是,智能多协议接口芯片内部的硬件逻辑模块实现checksum、FC等协议栈功能,使其处理流程、逻辑和功能完全由芯片替代以往依靠CPU软件的实现方式,满足存储业务高并发IO吞吐、低延时响应的业务要求。通俗地讲,智能多协议接口芯片offloading实现的功能就是把TCP/IP网络功能中以往需要CPU干的活(checksum、FC等)从移到到了芯片上来干,实现提供更高性能的网络处理性能、释放x86CPU处理器资源,以实现网络访问与数据交换加速,存储设备整体性能提升。经过华为性能实测,华为又快又稳全闪存OceanStor Dorado的性能在同样的前端卡(16G FC),同样的测试模型(7:3数据读写,8K I/O数据块大小),性能优于友商3倍。


最后我们来看下FCoE,它同时保留FC的功能和基于以太网的传输,从而保护基于FC协议的软硬件投资。智能多协议接口芯片融合了以太NIC和FC网络HBA卡功能,通过一张接口实现了两种网络IO的融合,以此减少了额外的线缆和交换机数据,简化网络管理;另一方面,传统方式通过主机CPU卸载FCoE协议,这会消耗大量CPU资源,导致主机CPU无法同时解析其他网络协议,从而无法满足高性能网络需求。华为又快又稳全闪存OceanStor Dorado采用智能多协议接口芯片实现FCoE协议卸载和解析的功能,减轻主机CPU负载,提升网络整体性能和服务器的可用性。


设备智能管理芯片

加速故障管理/修复


IT设备在运行过程中不可避免的会遇到各种故障,如何快速识别故障,并从故障中恢复过来,是考验IT设备稳定性的核心指标。设备智能管理芯片是华为又快又稳全闪存OceanStor Dorado的管理心脏,采用内置的故障诊断和故障预警两大专家库,提升故障诊断精准率。而快速诊断是快速恢复的前提,采用设备智能管理芯片的每秒管理运算能力可达2000DMIPS,优于同类友商的5倍,在控制器故障、前端接口卡故障、管理板卡故障等场景下,能够秒级故障切换,切换过程中数据不丢失,业务不中断,用户无感知。


在智能节能方面,设备智能管理芯片表现卓越,它精细化监控每个模块的健康度、功耗、温度等参数,采用静态功耗控制和动态功耗控制相结合的技术,一方面通过主动调节系统散热,降低芯片温度,从而控制芯片静态功耗;另一方面,采用嵌入式DEMT动态能源管理技术,芯片通过监控分析系统应用状态,识别并关闭空闲模块时钟和工作电压,降低芯片工作动态功耗。根据实测,在CPU负载不变的情况下,整机能效比提升可达16%,从而有效节省能耗的开支。


无论在人工智能、大数据、自动驾驶、区块链等先进领域,还是在传统医疗、制造、金融等行业,芯片的核心技术创新已经成为企业的主要推动力。华为存储在自研芯片研发上持续投入和技术创新,帮助企业应对数字洪流挑战,快速推进数字化转型。SSD智能控制芯片以介质为核心,针对介质特性定向优化,充分发挥介质优势,提升用户体验;多协议智能处理芯片简化组网,降低管理成本,同时卸载网络协议,实现数据读写加速;智能设备管理芯片,帮助用户快速定位故障,实现秒级故障切换,并在节能方面表现卓越,帮助IT租赁类用户节约成本,开拓新的商业机遇。


通过技术创新和软硬件芯片垂直优化,华为存储致力于消除CPU、介质、网络发展不均衡导致的鸿沟,提供更快、更好、更省的产品和解决方案,与客户一起实现商业成功。

文章来源 华为IT产品解决方案

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