根據(jù)2013年針對(duì)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的機(jī)架架構(gòu)、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器架構(gòu)以及企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行的一項(xiàng)廣泛調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)主要的原因?qū)е铝薎/O架構(gòu)的變革。

　　首先，SSD的廣泛運(yùn)用為I/O技術(shù)帶來(lái)巨大的躍進(jìn)。先看一下SSD運(yùn)用的廣泛程度。表1為IDC全球固態(tài)存儲(chǔ)2013-2017預(yù)測(cè)及分析報(bào)告：

表1 SSD出貨量預(yù)測(cè)

　　表中可見(jiàn)，企業(yè)級(jí)SSD的出貨量將在2017年超過(guò)一千三百萬(wàn)。在讀密集型應(yīng)用中，大量PC級(jí)SSD(非企業(yè)級(jí))也將運(yùn)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(yùn)用更為廣泛。這意味著平均每臺(tái)服務(wù)器將會(huì)帶有>1.5個(gè)SSD，而常見(jiàn)的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中SSD的數(shù)量更為可觀(guān)。因此，SSD的I/O技術(shù)將會(huì)帶來(lái)廣泛的影響，不僅是在高性能服務(wù)器領(lǐng)域，同時(shí)也影響到主流的服務(wù)器。

　　讓我們來(lái)快速回顧一下2013年高端HDD及SSD的性能指標(biāo)。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(duì)比

　　性能上的巨大改善給現(xiàn)有的I/O架構(gòu)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)，具體如下：

　　· IOPS挑戰(zhàn)——只需1～2個(gè)SSD就能讓行業(yè)領(lǐng)先的SASIO控制器的最大IOPS性能達(dá)到徹底飽和。

　　· 吞吐量的挑戰(zhàn)——只需1～2個(gè)SSD就能讓行業(yè)領(lǐng)先的SAS IOC的最大吞吐量性能達(dá)到徹底飽 和。只需1個(gè)SSD就能讓標(biāo)準(zhǔn)SAS擴(kuò)展的JBOD接口(4條SAS線(xiàn)纜)達(dá)到徹底飽和。

　　· 延遲的挑戰(zhàn)——當(dāng)前的SASI/O架構(gòu)并非針對(duì)延遲而優(yōu)化，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間(10sµs)。主要的系統(tǒng)延遲形態(tài)為：

　　主機(jī)軟件堆棧延遲(10s µs)——堆棧的優(yōu)化目標(biāo)是將尋道所用的IOPS降至最低。

　　IOC延遲(10s µs)——IOC需要對(duì)主機(jī)請(qǐng)求進(jìn)行語(yǔ)法分析，并將其轉(zhuǎn)化為SAS I/O，通常需要一個(gè)嵌入的CPU來(lái)運(yùn)行固件，以處理I/O請(qǐng)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(dǎo)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(jí)的I/O請(qǐng)求也需要等 待正在進(jìn)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(jí)IO請(qǐng)求的新連接才能建立起來(lái)。連接的持續(xù)時(shí)間則取決于IO的數(shù)據(jù)大小。

　　扇出與設(shè)備共享帶來(lái)的挑戰(zhàn)——由于SSD與HDD相比，帶來(lái)了巨大的性能改善，對(duì)許多應(yīng)用(如數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)媒介時(shí)，常見(jiàn)的I/O密集型應(yīng)用需要許多HDD來(lái)提供匯聚的I/O吞吐量及IOPS，才能與一個(gè)CPU/主板的處理能力相匹配。因此，當(dāng)需要將一個(gè)主機(jī)與多個(gè)HDD相連(1:N扇出)時(shí)，通常采用SAS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O扇出式的架構(gòu)。而采用SSD時(shí)，存儲(chǔ)與CPU的性能比反了過(guò)來(lái)。為了運(yùn)行同一個(gè)應(yīng)用，可能需要多個(gè)CPU/主板來(lái)產(chǎn)生足夠的I/O訪(fǎng)問(wèn)以充分利用單個(gè)SSD。隨著摩爾定律的失效，半導(dǎo)體性能的提升速度放緩，完全可以預(yù)見(jiàn)到SSDIOPS的提升將會(huì)快過(guò)CPU時(shí)鐘頻率的提升，因此SSD與CPU之間IOPS的差距預(yù)計(jì)將隨著時(shí)間而持續(xù)增加。這就意味著更加均衡的設(shè)計(jì)需要有扇入式的I/O網(wǎng)格來(lái)連接多個(gè)主機(jī)，共享單個(gè)SSD的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)(N:1扇入)。此外，為了容量擴(kuò)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(duì)這些挑戰(zhàn)

　　另外一個(gè)重要的考量是SSD是否會(huì)徹底取代HDD，成為唯一的存儲(chǔ)媒介。下面的圖表給出了低容量盤(pán)(250GB及500GB)的SSD/HDD之間的歷史價(jià)格對(duì)比。由此可見(jiàn)，對(duì)500G盤(pán)而言，SSD/HDD的價(jià)格比大約為8:1，而250G盤(pán)則是4:1。對(duì)于更高容量的盤(pán)而言，價(jià)格比大略穩(wěn)定在10:1。其他更為復(fù)雜的研究也提供了設(shè)備密度提升的預(yù)測(cè)，基本上都?xì)w結(jié)到摩爾定律(每18個(gè)月集成電路上可容納的晶體管數(shù)目會(huì)增加一倍)對(duì)半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)長(zhǎng)期演進(jìn)的推動(dòng)，以及克萊德法則(每13～18個(gè)月同一價(jià)格的硬盤(pán)存儲(chǔ)容量會(huì)翻一番)對(duì)磁盤(pán)密度的驅(qū)動(dòng)。這些研究帶來(lái)的關(guān)鍵啟示如下：

　　· 未來(lái)十年中，大容量盤(pán)仍然以HDD為主。目前基于NAND閃存的SSD技術(shù)不會(huì)超過(guò)HDD的密度。可能需要量產(chǎn)的新非易失性存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)改變密度競(jìng)爭(zhēng)的格局。

　　· 對(duì)低容量盤(pán)而言，SSD與HDD之間的價(jià)格差距正在拉近，SSD也許會(huì)與HDD的價(jià)格相近，在不遠(yuǎn)的將來(lái)成為主要的存儲(chǔ)設(shè)備。

　　· 采用NAND及機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)制來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的混合盤(pán)可能會(huì)出現(xiàn)，成為中等容量區(qū)間中的主要存儲(chǔ)媒介。PC用戶(hù)已經(jīng)在使用混合盤(pán)。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(pán)的混合盤(pán)在企業(yè)級(jí)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(lái)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(qiáng)有力的支持。

圖1 SSD與HDD價(jià)格預(yù)測(cè)

　　從磁盤(pán)接口協(xié)議的角度來(lái)看，眼下的低價(jià)HDD市場(chǎng)中主要采用SATA連接，而具備冗余訪(fǎng)問(wèn)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(jìn)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(xiàn)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(lái)了前所未有的壓力與挑戰(zhàn)。在未來(lái)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(jià)格方面的持久優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)期的共存，還必須為現(xiàn)有的各種磁盤(pán)接口協(xié)議(如SATA/SAS/PCIe等)提供原生支持。

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本文標(biāo)題：新型I/O架構(gòu)或?qū)⒁�領(lǐng)存儲(chǔ)之變

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