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华为存储闪存创新解读:前沿创新结合应用创新

发布时间:2015-04-01 16:28:00 来源:论坛 作者:崔昊
关键字:存储 华为 闪存

  在CeBIT 2015上,“工业4.0”是来自中国的展团、企业家、行业人士和媒体最为热衷的话题,这一现代化、智能化、信息化现代工业的未来战略,是中国与德国存在共同点最多的话题领域。

  工业4.0是一个制造业、工业界的概念,它被称为“以智能制造为主导的第四次工业革命”, 这一理念的核心意义在于,随着信息技术与工业技术的高度融合,网络、计算机技术、信息技术、软件与自动化技术的深度交织产生新的价值模型,在制造领域,这种资源、信息、物品和人相互关联的“虚拟网络-实体物理系统(Cyber-Physical System,CPS)”。

  显然,这是一个由大数据主导的系统,其中充满了对数据的利用和分析,以CeBIT 2015的主题“d!conomy”的角度来看,工业4.0的背后是信息数据产生的巨大驱动力。

  让数据产生价值的过程是数据分析和有效的利用,但这一切的前提是让数据得到良好的存储、保护,并能够为数据分析系统持续不断的、高效可靠、近乎实时的提供数据资源,也就是需要有良好的PaaS和IaaS层的支持。

  PaaS层在过去3、4年中发生了巨大的变化,从传统关系型数据库,到非关系型数据库,从数据仓库到Hadoop,再到正在发展的Spark技术,在PaaS层面的数据资源池化、抽取、快速供给正在逐步成熟和发展之中。

  但在IaaS层,特别是底层的存储系统,在过去十年的变化难以用“飞跃”来形容,这其中的原因包括了控制其技术发展的缓慢、存储系统架构变化的滞后以及传统磁盘在性能和可靠性上的令人难以忍受的进展速度。

  所以,闪存存储技术在过去两年快速崛起也就不足为奇了,这一介质在性能上是传统磁盘远远难以企及的,数十倍甚至数百倍的性能提升给企业用户带来了全新的存储应用体验,在以往听起来都是不可能的事情,比如单一存储系统性能达到几十万甚至百万级IOPS,现在都正在因为闪存的力量而正在发生。

  但对于企业级存储系统来说,介质上的转变只是闪存存储技术应用之后所发生的诸多变化中的一个,更重要的是,闪存时代的来临,对存储系统的架构及其设计思路、存储系统的整体优化、存储供应商的研发及产品实力都带来挑战,也随之迎来了转变。

  全面、融合 华为存储闪存战略的基调

  CSS Insurance(CSS保险)是瑞士第二大医疗保险公司,年保费收入超过50亿瑞士法郎,其120家分公司为欧洲超过175客户提供保险服务,在CSS Insurance最大的生产数据中心,2009年时数据中心需要提供高速存储服务的数据量还不到2TB,但2013年这一数字已经超过了5TB,并且还在不断提高。

  5TB却恰好是CSS Insurance高速存储系统的瓶颈。早在2009年,为缓解数据中心面临的日益增长的访问量压力,CSS Insurance就已经采购了一套全SSD盘的固态存储系统,用于为其核心业务系统提供高速存储服务,这套系统当时的容量即为5TB,且无法按需扩展——虽然如今出现容量瓶颈,但CSS Insurance的这次采购在当时绝对是非常超前的意识

  作为经验丰富的闪存技术应用者,CSS Insurance对企业级闪存技术的了解远非一般水平,从其对ARR(年 退回率,Annualized Return Rate)和AFR(年故障率,Annualized Failure Rate)等可靠性指标的敏感程度就可见一斑。

  在2013年,CSS Insurance的最终选择是华为的OceanStor Dorado全闪存存储系统:将采用3套Dorado2100 G2(初期容量均为10TB)对其现 有的固态存储系统进行改造,其中在两个生产数据中心各部署1套Dorado2100 G2,用于支持生产业务并替换现有的2 套固态存储设备;单独部署1套Dorado2100 G2,用于CSS保险开展新业务的功能测试。

  “系统性能提高2.5倍,加速高峰期业务响应。”这是CSS Insurance对华为存储全闪存存储系统的评价,40万IOPS线性扩展的OceanStor Dorado取得的2.5倍性能提升,甚至并非是与传统磁盘——而是和竞争友商的全闪存阵列产品——进行对比,从这一角度来说,OceanStor Dorado的性能表现即可见一斑。

  仅就全闪存存储系统的性能表现而言,OceanStor Dorado的优异之处不仅仅是高达40万(Dorado2100 G2)或60万(Dorado5100)的IOPS,更关键的是,其IOPS性能指标是在极低的延时500μs下得到的,同时,由于华为采用自研SSD,实现了在垃圾回收、擦写/寿命管理方面从SSD到系统架构的整体控制和优化。

  不过,OceanStor Dorado只是华为存储闪存产品线的其中一部分,在华为存储的战略中,闪存技术在深度和广度上都采取了全面发展的产品策略,比如说,在存储系统方面,华为存储不仅有全闪存存储系列的OceanStor Dorado(已经能够提供超过60万IOPS),OceanStor V3如今也提供全闪存配置;另一方面,华为存储就闪存加速卡ES3000 V2(PCIe SSD)的控制器及整体产品设计,也完全依靠自身的技术研发体系完成。

  而在全面推进闪存战略的同时,产品间的融合也在发生,作为华为早期的全闪存存储系统,OceanStor Dorado上有着丰富的代码资源和调优经验,在OceanStor V3的设计、研发中,前者的技术资源与后者的核心操作系统OceanStor OS实现了进一步的融合,在将OceanStor V3配置成为全SSD系统使用时,其在数据库加速方面的诸多特性是与OceanStor Dorado极为接近的。

  下一代创新闪存技术:工业4.0就靠它了

  在OceanStor Dorado和OceanStor V3之外,华为存储意识到,随着工业4.0的加深以及大数据时代的来临,闪存技术在进步中的成果也应当及时、有效的融入到新一代的存储系统中,以提供更为强大的存储资源池——这就是OceanStor vPARs推出的初衷。

  在关键业务,特别是实时分析、实时计算领域,高性能的存储资源池是一项基本的配置,随着对“实时”要求的逐渐苛刻,存储资源的被索取的速度也在加快,这导致存储系统必须更进一步加速——不止是全闪存——还要更快。

  要比现有的NAND Flash更快,选择就是SCM(存储级内存,Storage Class Memory),SCM是可基于位访问的,速度堪比SRAM和DRAM,并且存储密度至少提升了一个数量级,是当前最具潜力的非易失性存储介质技术。

  严格意义上来说,SCM是多种存储技术的统称,相变存储器(PCM),磁阻式随机存储器(MRAM)和电阻式随机存储器(RRAM)等一系列技术都属于SCM,与此前的NAND Flash及其他的PCM或MRAM等介质相比,SCM在写入速度和介质寿命上有着明显的优势,被视作OLTP存储的理想选择。

  但仅仅是SCM介质仍然不是改变存储水平的唯一因素,性能、可靠性、寿命等等指标受到的是存储系统综合性设计的影响,或者说是一个“整体创新的过程”——全闪存存储系统中,SSD与SSD控制器肩负着重要的作用,比如说,垃圾回收、擦写均衡等都需要通过SSD控制器来完成,而SSD颗粒的筛选和优化也同样重要。简单来说,将SSD及其控制器与存储系统统一考虑,实现两层Farmware的协同是非常重要的。

  另一件事情是存储阵列的“控制”,首先是性能优异和可靠性高的控制器,这在x86化存储系统的时代基本上不是什么问题,第二个是数据调度层,能够用于系统内所有存储介质资源的全局调度策略能够保证介质资源利用率的最大化;第三是加速设计,比如说采用FPGA并在其上设计全局重删、在线压缩、snapshot、远程复制、智能QoS控制等软件功能,以专用硬件+软件定义的方式,能够更进一步的“压榨”存储介质——比如NAND Flash或是SCM——的“剩余价值”。

  OceanStor vPARs的出现就是以SCM为基础,应用FPGA(软件定义)加速技术,实现全局资源调度策略,从SSD及SSD控制器层面直至存储系统实现优化的下一代固态存储系统,按照CeBIT 2015上华为存储现场展示的情况和指标来看,vPARS有望达到1000万级别的IOPS,其延迟可以控制到100μs的水平。

  vPARS只是华为存储在技术和系统设计层面的创新浓缩体,闪存技术的创新并不仅仅限于领先的技术和产品,商业模式、产品家族、软件定义甚至是产品线的深度和广度都是面向客户而创新的重要组成部分,从这一角度来说,华为存储的固态存储创新在行业内是位居前列的。


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