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基于FPGA的PSM实现解决企业级应用的闪存问题

2020年03月12日 10:02 次阅读

当今的企业级存储子系统正面临实质性的变革。大量的企业数据和交易信息每年都会增加50-60%。云计算和虚拟化功能的快速发展能够更有效的管理这些越来越多的数据负载,导致数据中心的数量和规模都出现了爆炸式的增长。随着企业级存储呈指数增长,迫切需要提高存储器子系统的性能、容量和价值。

系统管理人员发现,主要依靠硬盘介质的传统存储体系结构在性能上无法满足当今工作负载的需求。应用规划人员的反应是,采用整体分析方法对存储器进行规划,在企业领域结合了传统的存储介质和新介质——闪存。消费类器件一直以来采用的存储器介质是NAND闪存,在企业级应用中,其性能比硬盘驱动器(HDD)高出10至100倍。闪存也是高性价比的非易失存储介质,常用于数据应用中。通过使用闪存阵列,企业能够大幅度减小存储体积、CPU的数量以及软件许可数量,从而降低了数据中心运行所需的总功耗、空间和运营成本。

这一高性能存储器子系统的核心是基于PLD的可编程状态机(PSM)。PSM支持RAID算法(保证数据完整性所必须的)、存储器控制和高速I/O功能。由于其内在的设计灵活性、嵌入式处理器、硬核存储器控制器以及高速串行I/O模块,可编程逻辑器件在实现这些状态机方面独具优势。基于PLD的PSM所支持的闪存体系结构平衡了数据完整性、系统更新和可服务能力的性能要求,从而帮助数据中心管理人员满足日益增长的存储资源需求。

利用存储层次结构

可以把某些存储子系统中的各种类型的存储器及其扮演的角色看成是一种层次结构,按照性能、成本和容量来排列(图1)。按性能排列,其最高端是嵌入式处理器存储器和L1/L2高速缓存。相对的另一端是磁带备份,其容量非常大,而成本很低,但是速度很慢。其间是存储子系统的主要介质:相对较快但是昂贵的DRAM、有些慢但是相对低廉而容量较大的Flash RAM,以及HDD——存储器系统中传统上主要的存储介质。

基于FPGA的PSM实现解决企业级应用的闪存问题

图1:存储器类型层次结构。

当今的存储体系结构混合了这一层次结构中的各类存储器。有些系统可能含有几类存储器,而其他的则只是一两类。某一系统中所含有的存储器类型及其数量取决于数据量、处理工作负载以及其他因素。对于企业级数据中心等需要大量数据和I/O的应用,需要采用较多的存储器类型。HDD存储器一直是而且今后仍然是主要的数据存储和访问介质。但是,对于性能要求很高的关键任务应用,闪存由于其优异的性能和具有竞争优势的价格,替代了传统的旋转存储介质。

企业级应用的闪存

在企业级存储系统中引入闪存并非一蹴而就。可靠性一直是妨碍闪存在企业级应用的一个问题。在消费类产品中,从蜂窝电话到PC,广泛而又成功的应用闪存在一定程度上解决了这类问题。虽然在消费类应用中得到了验证,但是,很多企业级应用的特性,例如,金融交易处理等,都要求确保数据的完整性。通过在基于闪存的系统设计中采用RAID算法,即使是最敏感的应用,也能够保证数据完整性。

系统规划人员还需要在各种类型的闪存中进行选择。目前有两种常用的闪存:多层电荷(MLC闪存)和单层电荷(SLC闪存)。MLC闪存支持两种以上的状态,而SLC只支持两种。MLC价格也低于SLC。由于MLC闪存的电压状态会漂移,因此,很多企业级应用的开发人员倾向于采用更可靠、成本更高一些的SLC闪存。开发人员在企业级应用中通过软件找到了利用更经济的MLC闪存的方法。可以采用RAID算法和增强ECC保护功能来降低MLC可靠性带来的风险。

除了闪存,新类型的存储器也在不断发展。相变存储器的开关时间比闪存更短,而且更灵活,目前还处于发展初期。PCM技术目前的容量还不及闪存,但在企业级存储器应用中,最终有可能成为可实施的选择。为能够管理多种类型的存储器,并且采用新技术,在存储器阵列子系统设计中,非常有必要采用灵活而且适应能力很强的可编程逻辑器件进行存储器控制和管理。

另一考虑是闪存访问速度。一般而言,I/O和访问速度是存储器系统性能的限制因素。支持PCI Express(PCIe)等标准是非常关键的,这些标准在服务器群和系统之间提供了高效的管道。而这些标准与其对应的存储器类型一样,发展都非常快。因此,任何基于闪存的子系统都应该考虑这种发展趋势。PLD,特别是提供PCIe内核以及其他优化接口的PLD,能够灵活的响应这些标准的变化和发展。

FPGA技术

开发人员在寻找实现闪存阵列的存储器控制功能和I/O接口的方法时,必须要仔细考虑替代方案。传统的ASSP和ASIC器件选择缺乏应对快速发展的闪存市场所需要的灵活性。对于大部分应用,ASIC也由于过于昂贵而无法使用。相反,存储子系统开发人员尝试发挥闪存的优势,快速灵活的做出应对,适应新出现的存储器类型,以及标准的变化。

作为对比,FPGA等可编程IC非常适合基于闪存的企业级应用。FPGA的开发周期非常短,而且成本低,风险低,能够迅速适应需求的变化,利用新出现的存储器技术和接口标准,例如PCIe等。采用目前的大容量可编程器件,还可以在多种存储器类型中内置控制和接口功能,使得子系统能够同时支持MLC和SFC闪存。也很容易在FPGA逻辑中实现关键的容错RAID算法。

相对于以前ASIC特有的一些特性,FPGA有明显的性能和定制功能优势。当今的PLD采用了最高级的硅片工艺节点进行制造,体现了性能最好的半导体技术。例如,28-nm PLD接口现在能够在高速数据接口上传送数据,传输速率高达28 Gbps,满足了PCIe、SAS/SATA和光纤通道等高速协议的性能要求。FPGA还具有软核和硬核IP,例如,存储器控制器、嵌入式处理器和收发器模块,进一步提高了性能,丰富了功能,提高了效率。最后,PLD封装技术的进步还提高了高速I/O端口的数量,以及通用I/O引脚的数量。

闪存高速缓存的可编程状态机

存储器阵列生产商Violin存储器有限公司列出了存储器阵列的以下高级属性,其性价比非常高,满足了下一代24x7企业级数据中心的需求:

* 性能:与HDD相比,在延时和每秒I/O操作(IOPS)上提高了一个数量级,例如,延时达到亚微秒,每个机架大于200K的IOPS,能够更好的与处理器相匹配。

* 成本:采用固态存储器,大幅度降低了每GB成本和每I/O成本。

* 可靠性:保证不会丢失企业数据(通过RAID算法),系统连续服务,不会出现停机。

可以在基于每GB低成本NAND闪存的新一代存储器阵列上实现这些属性。其体系结构采用了两级闪存功能,闪存控制(vFLASH)和闪存RAID(vRAID)。闪存控制器利用了闪存转换层面上的比特、模块、平面和芯片级的闪存技术读、写以及擦除操作和错误状态功能。VFLASH功能包括记录结构数据布局,以及闪存管理“垃圾收集”功能来释放闪存空间。闪存RAID控制器应超越传统的RAID-1和RAID-5算法,以满足闪存独特的特性需求。例如,一个4+1校验模型要比传统的算法效率更高,延时更低,还能够更高效的处理故障,而且不需要替换模块。

闪存和RAID控制功能都能够很好的采用FPGA技术来实现(图2)。在基于硅片的状态机中,而不是采用传统的微处理器/软件方法来实现关键算法,能够大幅度降低延时。而且,如前所述,基于FPGA的实现方法能够实现非常灵活的设计,适应闪存及其相关特性的快速发展。能够以非常低的成本,非常快速的把新设计推向市场,发现新机会。而且,利用存储器控制器、收发器模块以及存储器和PCIe的高速接口等FPGA特性,在几天或者几星期的时间内就能够向市场推出很好的系统,这要比传统的方法快得多。

基于FPGA的PSM实现解决企业级应用的闪存问题

图2. 存储器子系统结构图。

企业级存储的新模式

当今的企业级存储系统需要闪存的性能和成本优势来实现其竞争能力。与闪存相关的设计难题,例如,确保数据完整性,应对新出现的存储器类型和标准的不断变化等,可以通过采用基于FPGA的PSM实现存储器管理和I/O,来解决这些难题。FPGA技术和闪存相结合,即使是要求最高的工作负载,存储系统规划人员也能够满足性能需求,保证系统的完整性、灵活性和适应性。

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