近期,中國移動第四屆科技周暨戰略性新興產業共創發展大會正式啟動。中國移動攜手產學研用各方合作伙伴,以“澎湃創新力戰新共未來”為主題,匯聚院士學者、產業大咖、業界專家,圍繞云和算力網絡、人工智能、6G、大數據、能力中臺、安全等領域,聚焦科創前沿,共商協同創新新模式,共謀戰新產業發展新未來。

其中,庫瀚科技協辦了以“多樣性算力”為主題的分論壇,該論壇聚焦算力基礎設施領域,與各界合作伙伴開展技術創新分享和實踐經驗交流,促進技術生態繁榮,共同推動數字經濟高速發展。

庫瀚科技軟件架構師邱重陽在本次論壇中,分享了庫瀚在全RISC-V架構下高性能存儲軟件的實踐與探索

庫瀚分享:挑戰與趨勢

根據IDC預測數據,2025年全球數據量將增長到175ZB,中國將成為全球最大數據圈 48.6ZB ,存算比趨近1:1.存儲與計算同等重要。基礎設施服務器市場近萬億,目前主導這個市場的還是X86 CPU通用計算為核心的生態。而X86 CPU的核心技術被境外壟斷,價格昂貴的同時不符合國內信創趨勢。摩爾定律在服務器芯片上逐漸失效,但是高速的存儲、網絡設備還在快速發展,通用CPU很難再同時處理計算、網絡、存儲等需求。

在此背景下,數據中心存算一體架構一直面臨兩個主要挑戰:

第一個挑戰是數據存儲生命周期和服務器更新周期不同,存算一體的服務器架構無法使存算獨立擴容,服務器的更新換代由處理器的升級周期決定,一般是2~3年更換,與數據存儲5~10年的生命周期有較大區別,兩者之間巨大的差異導致系統資源大量浪費,增加數據遷移丟失風險。

另外一個挑戰是,傳統分布式存儲架構使得性能和存儲資源利用率難以兼得,通常情況下,性能型存儲通常采用三副本模式,得盤率僅僅約30,容量型存儲采用EC模式提升得盤率,但同時增加了CPU、網絡的開銷,導致存儲系統整體性能受損。

數字經濟時代,多樣應用推動生產進步,當下比較熱有ChatGPT、自動駕駛等,這些應用的背后都在消耗巨大的算力。這些不同的應用需要不同的算法,特定的算法匹配特定的算力來處理才能發揮更好的能效比。

業界涌現出越來越多的數據處理單元DPU和基礎設施處理單元IPU專用芯片,在數據流處理路徑上取代通用處理器,提升算力能效比。面對新的業務需求,結合計算、網絡和存儲的新技術發展趨勢,新型存算分離的Diskless架構將重新定義數據中心基礎設施。Top廠商積極布局Diskless架構,通過IPU對接共享的閃存盤框。

我們可以說:傳統存儲是存儲1.0時代,分布式存儲開啟存儲2.0時代,Diskless正在帶領我們走進存儲3.0時代。

策略與思路

·思路一:存儲服務器使用存儲專用芯片

目前芯片龍頭已經推出的各類智能網卡形態數據處理芯片,主要是滿足云廠商自定義的CPU算力卸載需求。頭部廠商都在專用數據處理芯片的方向,但是目前看到的數據處理芯片側重于計算服務器側網絡、計算虛擬化卸載等問題,存儲服務器更強調IO加速、EC\壓縮的優化,低功耗、低成本的需求。基于存儲專用芯片的存儲服務器是去x86架構、提升算力能效比、降低存儲服務器成本的一個有效手段,當然也同時需要對應存儲基礎軟件來與之配套。

·思路二:通過數據分層機制來解決存儲性能和資源的有效利用率難以兼得的矛盾

數據分層存儲已經是一個比較老話題了,但就當前數據中心Diskless架構的趨勢來說,數據分層本身使用了兩層數據分離存儲的策略,這和Diskless數據拉遠池化的理念更加契合。一般來說,數據分層機制,通過副本機制對外提供統一的高性能存儲服務;通過EC策略進行數據存儲使得存儲系統整體得盤率更高。通過兩層架構的技術整合,以提高存儲系統整體的存儲性能和資源的有效利用率。

·思路三:通過軟硬融合的設計提升存儲系統資源的有效利用率

首先,目前SSD訪問接口仍然是基于塊語義的隨機覆蓋寫,這并不契合NAND Flash的特性,NAND Flash是追加寫、擦除后寫,SSD為了適配傳統塊語義的接口,不得不在內部實現轉換層FTL,增加了元數據管理、GC、OP空間預留等資源的開銷。為了解決這個問題,庫瀚提出了open channel技術,以及繼承于它的zoned namespace技術,這些技術突破傳統的標準硬件接口,打通設備與應用層之間的信息屏障。

其次是存儲側的計算卸載,也可以說是近存儲計算。存儲服務器側的數據壓縮、EC等算法,不適合利用通用處理器來計算,將其卸載到專用處理器可以顯著提升能效比。

實踐與探索

庫瀚打造的存儲平臺是從底層SSD主控芯片、SSD固件、存儲服務器主控到存儲底層基礎軟件全技術棧打通的一個存儲架構,在IO鏈路上基于全RISC-V架構主控平臺,軟硬融合設計的全閃存存儲平臺。

庫瀚兩顆RISC-V芯片——Aurora SSD主控、eSPU覆蓋從應用到存儲全流程,eSPU主板主控形態支持實現無x86架構的存儲服務器,eSPU智能網卡形態面向數據服務基礎設置場景;Aurora SSD主控支持實現PCIE 5.0/4.0等多型號的高性能企業級固態硬盤。

庫瀚StorEngine軟固件平臺是一套軟件定義存儲生態的高性能分布式存儲軟件基礎計算模組,也是兩顆RISC-V芯片平臺的存儲基礎軟件,以助力數據中心實現在現有硬件平臺、eSPU/Aurora硬件平臺下發揮業界領先的性能。

StorEngine既可以運行在x86\ARM平臺上,也可以運行在eSPURISC-V平臺上。

庫瀚StorEngine采用Diskless存算分離架構,把存儲資源拉遠池化,以替換傳統存儲中的本地盤;通過高密度的SPU盤框 +存儲計算分開擴容的能力,來降低數據中心整體成本。

庫瀚StorEngine使用數據分層和統一zone設計,性能層和容量層的分層設計使得系統在提升得盤率的同時,能夠提供高性能存儲服務;統一zone架構,使StorEngine兼容不同介質存儲設備,全局存儲資源以zone為單位進行分配,實現全局FTL,使SSD的磨損均衡可以在全局作用,同樣可以延長SSD的壽命。

庫瀚與中移已就存儲系統項目開展了合作與探索。中移ESSD是一套全自研的高性能全閃分布式存儲系統,單卷可達百萬 IOPS以上;庫瀚StorEngine RPC組件KRPC在中移動ESSD高性能場景下的應用,提升了RPC組件效率,降低了硬件資源的開銷。單卷客戶端所需的CPU核心數量從改造前的21個下降為改造后的5個,與此同時單路IO延遲也從600us下降到270us,整個資源的利用率得到了顯著的提高,存儲系統的長尾延遲也有所改善。