根據(jù)2013年針對超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的機架架構(gòu)、業(yè)界標準的服務(wù)器架構(gòu)以及企業(yè)級存儲系統(tǒng)架構(gòu)進行的一項廣泛調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，有兩個主要的原因?qū)е铝薎/O架構(gòu)的變革。
首先，SSD的廣泛運用為I/O技術(shù)帶來巨大的躍進。先看一下SSD運用的廣泛程度。表1為IDC全球固態(tài)存儲2013-2017預(yù)測及分析報告：
表1 SSD出貨量預(yù)測
表中可見，企業(yè)級SSD的出貨量將在2017年超過一千三百萬。在讀密集型應(yīng)用中，大量PC級SSD(非企業(yè)級)也將運用到服務(wù)器應(yīng)用中，尤其在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中運用更為廣泛。這意味著平均每臺服務(wù)器將會帶有>1.5個SSD，而常見的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中SSD的數(shù)量更為可觀。因此，SSD的I/O技術(shù)將會帶來廣泛的影響，不僅是在高性能服務(wù)器領(lǐng)域，同時也影響到主流的服務(wù)器。
讓我們來快速回顧一下2013年高端HDD及SSD的性能指標。從表2可以看出，SSD能提供明顯的性能提升。
表2 SSD與HDD性能對比
性能上的巨大改善給現(xiàn)有的I/O架構(gòu)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，具體如下：
· IOPS挑戰(zhàn)——只需1～2個SSD就能讓行業(yè)領(lǐng)先的SASIO控制器的最大IOPS性能達到徹底飽和。
· 吞吐量的挑戰(zhàn)——只需1～2個SSD就能讓行業(yè)領(lǐng)先的SAS IOC的最大吞吐量性能達到徹底飽 和。只需1個SSD就能讓標準SAS擴展的JBOD接口(4條SAS線纜)達到徹底飽和。
· 延遲的挑戰(zhàn)——當前的SASI/O架構(gòu)并非針對延遲而優(yōu)化，可能遠遠超出訪問時間(10sµs)。主要的系統(tǒng)延遲形態(tài)為：
主機軟件堆棧延遲(10s µs)——堆棧的優(yōu)化目標是將尋道所用的IOPS降至最低。
IOC延遲(10s µs)——IOC需要對主機請求進行語法分析，并將其轉(zhuǎn)化為SAS I/O，通常需要一個嵌入的CPU來運行固件，以處理I/O請求并作出響應(yīng)。
SAS網(wǎng)格仲裁延遲(1～100s µs)——由于SAS協(xié)議中非搶占性連接主導的特性，網(wǎng)格仲裁延遲的變化范圍十分寬廣。即便是最高優(yōu)先級的I/O請求也需要等 待正在進行中的連接完成數(shù)據(jù)傳輸并關(guān)閉，然后用于此高優(yōu)先級IO請求的新連接才能建立起來。連接的持續(xù)時間則取決于IO的數(shù)據(jù)大小。
扇出與設(shè)備共享帶來的挑戰(zhàn)——由于SSD與HDD相比，帶來了巨大的性能改善，對許多應(yīng)用(如數(shù)據(jù)庫應(yīng)用)而言，系統(tǒng)的瓶頸可能就從I/O轉(zhuǎn)移到了CPU。HDD作為存儲媒介時，常見的I/O密集型應(yīng)用需要許多HDD來提供匯聚的I/O吞吐量及IOPS，才能與一個CPU/主板的處理能力相匹配。因此，當需要將一個主機與多個HDD相連(1:N扇出)時，通常采用SAS技術(shù)來實現(xiàn)I/O扇出式的架構(gòu)。而采用SSD時，存儲與CPU的性能比反了過來。為了運行同一個應(yīng)用，可能需要多個CPU/主板來產(chǎn)生足夠的I/O訪問以充分利用單個SSD。隨著摩爾定律的失效，半導體性能的提升速度放緩，完全可以預(yù)見到SSDIOPS的提升將會快過CPU時鐘頻率的提升，因此SSD與CPU之間IOPS的差距預(yù)計將隨著時間而持續(xù)增加。這就意味著更加均衡的設(shè)計需要有扇入式的I/O網(wǎng)格來連接多個主機，共享單個SSD的訪問權(quán)(N:1扇入)。此外，為了容量擴展的需要，此I/O架構(gòu)還需要支持N:M扇入/共享的能力。
必須發(fā)明新的I/O架構(gòu)以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)
另外一個重要的考量是SSD是否會徹底取代HDD，成為唯一的存儲媒介。下面的圖表給出了低容量盤(250GB及500GB)的SSD/HDD之間的歷史價格對比。由此可見，對500G盤而言，SSD/HDD的價格比大約為8:1，而250G盤則是4:1。對于更高容量的盤而言，價格比大略穩(wěn)定在10:1。其他更為復雜的研究也提供了設(shè)備密度提升的預(yù)測，基本上都歸結(jié)到摩爾定律(每18個月集成電路上可容納的晶體管數(shù)目會增加一倍)對半導體存儲技術(shù)長期演進的推動，以及克萊德法則(每13～18個月同一價格的硬盤存儲容量會翻一番)對磁盤密度的驅(qū)動。這些研究帶來的關(guān)鍵啟示如下：
· 未來十年中，大容量盤仍然以HDD為主。目前基于NAND閃存的SSD技術(shù)不會超過HDD的密度�？赡苄枰慨a(chǎn)的新非易失性存儲技術(shù)來改變密度競爭的格局。
· 對低容量盤而言，SSD與HDD之間的價格差距正在拉近，SSD也許會與HDD的價格相近，在不遠的將來成為主要的存儲設(shè)備。
· 采用NAND及機械旋轉(zhuǎn)機制來進行數(shù)據(jù)存儲的混合盤可能會出現(xiàn)，成為中等容量區(qū)間中的主要存儲媒介。PC用戶已經(jīng)在使用混合盤。但是，由于服務(wù)器可以在系統(tǒng)層面混合SSD和HDD并提供更加直接的控制，因此，融合NAND以及物理轉(zhuǎn)盤的混合盤在企業(yè)級服務(wù)器/陣列及數(shù)據(jù)中心中的使用仍然不明朗。
因此，未來十年采用的I/O架構(gòu)必須為SSD與HDD的混合應(yīng)用提供強有力的支持。
圖1 SSD與HDD價格預(yù)測
從磁盤接口協(xié)議的角度來看，眼下的低價HDD市場中主要采用SATA連接，而具備冗余訪問的高性能/可靠性的HDD則采用SAS連接。兩種協(xié)議都針HDD的性能特性而進行優(yōu)化。雖然SATA和SAS已經(jīng)用作SSD的接口協(xié)議，但充分利用PCIe總線接口的低延遲以及高帶寬的SSD新協(xié)議如NVMe和SCSIe已然出現(xiàn)。為了支持HDD與SSD的混合應(yīng)用，下一代的I/O架構(gòu)需要為SATA、SAS及PCIe提供原生支持。
綜上所述，SSD的飛速發(fā)展為I/O架構(gòu)帶來了前所未有的壓力與挑戰(zhàn)。在未來I/O架構(gòu)的構(gòu)想中，SSD的特性固然需要考慮在內(nèi)，而HDD在容量及價格方面的持久優(yōu)勢也將賦予其持久的生命力。新I/O架構(gòu)不僅必須支持兩者長期的共存，還必須為現(xiàn)有的各種磁盤接口協(xié)議(如SATA/SAS/PCIe等)提供原生支持。
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本文標題：新型I/O架構(gòu)或?qū)⒁I(lǐng)存儲之變
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