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无处不在的闪存革命及与闪存相关的有趣问题

上网日期: 2014年12月23日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:闪存芯片? 数据中心? 存储系统?

融合新思路

SSD和存储融合将这种异构协议推向了更简单的新发展方向。首先,直接连接SSD会替代CPU 电路板上的SATA。Diablo的闪存系统直接连接至服务器卡的DIMM插槽,模仿部分DRAM地址空间。在其他实现中,PCIe电路部分通常连接至小型M.2卡,承载了SSD,替代了与磁盘控制器的SATA连接。NVMe等闪存新协议替代了老的磁盘协议。据Altera存储系统专家Robert Pierce,这些技术使得16-32 TB的闪存直接连接CPU群成为可能。同时,网络连接存储开始过渡到带宽更大的连接,例如,Infiniband固有的光传送或者PCIe。

这些变化表明了方法的集成度更高了。目的是让所有级别的存储,从DRAM到冷存储,成为 CPU高速缓存总线上的一个大容量虚拟存储器。

这一概念即将实现的是IBM的一致性加速器处理器接口(CAPI)连接的闪存。这一设计把一个闪存控制器放到CAPI总线上 — 实际上,是Power8 CPU高速缓存互联的片外扩展,支持处理器的存储器一致性协议。这种连接支持闪存子系统——会有自己的SRAM和DRAM高速缓存,看起来就是CPU共享存储器的一部分。

与CAPI物理连接的芯片是闪存控制器。而在未来的实现中,可能是多功能存储SoC,控制闪存阵列、本地磁盘,以及冷存储的光链路(图2)。

无处不在的闪存革命及与闪存相关的有趣问题(电子工程专辑)
图2. 连接至CPU群一致性高速缓存总线的融合存储控制器能够使系统中的所有存储就像一个巨大的虚拟DRAM。

在物理层,融合系统中的每一类存储都有自己的底层管理要求。DRAM需要纠错功能,以及围绕失效比特单元、行和列的映射功能。闪存有这些要求,还需要算法来消除每一模块擦除写入周期数,以便在芯片上均匀的分配损耗,通过算法来优化写入。

据微软云网络服务器工程总经理Kushagra Vaid,这些损耗均衡和写操作策略,以及闪存芯片本身,都是与应用相关的。他指出,微软对于耐用性和数据保持等关键闪存芯片参数的需求是与工作负载相关的。Vaid说,任何一种云应用都有可能频繁的使用SSD,而必应搜索引擎每天只写入闪存一次。相似的,在某些应用中,闪存芯片不需要将数据保持24小时以上—极大的简化了芯片供应商设计对数据永久保留的需求。知道芯片是怎样使用的意味着能够获得更多的性能或者密度,通过降低测试极限来降低成本。但也意味着,物理存储器的面积,写控制算法也是与应用相关的。因此,在一定程度上,存储器组织必须应对应用级软件:存储逐渐成为软件定义的。

磁盘控制器还有相似的物理层面的要求,但是环境非常不同。必须纠正错误,映射出坏扇区,完成传送。磁盘读/写算法与应用的相关性不明显,但是,磁盘数据组织确是如此。

这一级之上是数据管理任务层。如果DRAM和闪存层是可预测高速缓存,控制器会进行预测:在合适的时间把数据装入合适的层中。这种需求同样适用于小系统和大系统。但是数据中心能够增加另一维度—不同服务器卡上存储控制器的直接连接。Pierce说,有足够的连接后,控制器能够形成2D或者3D曲面,实际上合并了机架中所有CPU的全部存储资源。软件也会管理哪些数据应放在延时和可靠性最佳的地方。

与数据管理密切相关的是压缩和安全。很明显,无损数据压缩提高了每一存储级别的容量效率,同样提高了链路的有效带宽 — 如果算法足够快。对于容易受到入侵的系统,安全问题会要求数据以加密格式存储,只能在授权线程使用时解密。这些任务也是由控制器完成。但是与前面的任务不同,这些任务要求控制器的计算速度与应用级性能相匹配。

这里列出的任务表明,融合存储控制器从相对简单的基于MCU的ASIC发展到服务器类SoC,针对特殊功能提供了硬件加速。我们需要指出的最后一点是这保证了发展。

一旦您决定了将服务器类处理功能放到融合存储系统中,增加硬件保证例程数据管理任务不会让CPU过载,下一个比较明显的问题是这些CPU还能干什么? 这一问题直接导致了存储系统内部关于计算的争论。

第四页:存储中的计算


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