8張圖帶你了解PMC Flashtec NVRAM加速卡

當今市面上的存儲系統存在若干具有普遍性的問題。通常情況下，數據從外部接口進入，存儲引擎則進行數據處理。每種存儲引擎均有其各自的特性，可以進行數據應用，或壓縮、加密及映射等。在存儲引擎處理數據的同時，還要進行應答，并將應答發送給高層應用。為了實現這一點，所有的存儲系統均采用某種寫緩存來盡可能快地作出應答，使應用得以執行各自的任務。此外，數據處理部分還會產生許多元數據。對每一個進入系統的I/O，元數據處理均如影隨形般進行著。顯然，也需要元數據存儲來輔助數據處理。因此，這兩種負載成為了存儲系統中的瓶頸：寫緩存和元數據緩存，亟需解決。如圖1所示。

圖1 現有存儲系統架構中的瓶頸

這兩種負載的主要特點均需要存儲設備具有盡可能高的性能才能應對。理想的目標是這兩種負載都能達到與圖2中最上層的內存相當的性能。同時，也希望具備與圖中底層所示的外存相當的非易失性來彌補內存在斷電情況下數據容易丟失的問題。觀察從內存到外存的存儲層級，可以看出，這兩種負載所需要的理想存儲介乎外存與內存的層級之間――姑且稱之為：關鍵型任務性能缺口（如圖2所示）。

圖2  性能缺口

如何應對這些挑戰呢？自然而然的反應可能是：“用SSD來解決吧。”回頭看看，這正是幾年前多數存儲系統采取的辦法――將SSD用作寫緩沖和元數據緩存。但隨著技術的進步，閃存已然成為了占據主導地位的存儲媒介，IOPS逐步提升，SSD而今已無法再滿足這些性能需求。真正的挑戰還在于SSD的耐寫度。來看看這些負荷所需要的耐寫程度。圖3的縱軸標示的是每日寫入的次數。橫軸從左至右，IOPS從50,000增至1,000,000，圖中顯示了維持各個IOPS水平所需的寫入次數。

圖3 閃存的耐寫度難題

幾年前，50k IOPS的系統仍然非常高端，而今，卻已連入門級水平都達不到。現在面對的是100k甚至更高的系統。以100k IOPS的系統為例，如果打算采用400GB SSD，即如圖3中藍線所示，那么，400GB SSD所需的耐久度是每天寫100次。這顯然是閃存無法達到的。即便將容量增至兩倍甚至四倍，耐寫度需求降至每天寫入10次的范圍，SSD也只是勉強可以應付，而且這樣的SSD也會很昂貴。放眼未來，發展趨勢是右上角的綠色圓塊部分。顯而易見，由于耐寫度的問題，目前閃存無法勝任不斷攀升的IOPS速度。

既然閃存不行，多數人會回頭求助于DRAM。那么，DRAM能否勝任呢？不言而喻，從性能的角度來看，DRAM非常理想，但DRAM的缺點在于其容易受到電源故障的影響。所以必須為DRAM提供保護。保護DRAM的辦法通常是加入集成的UPS系統或電池備份單元。而電池本身就存在一系列問題如可靠性差、生命周期比系統短等等，從而產生了維護的巨大困難。此外，電池要占據大量空間。有電池備份的存儲機架中，四分之一的位置都被電池所占據。顯然，這些為電池所霸占的空間完全可以更好地利用。

審視擺在面前的這些問題，PMC創造出了獨具匠心的NVRAM 加速卡解決方案。該方案完美填補了內存層與SSD層之間的空白。PMC的NVRAM 加速卡性能優異，因此不僅僅起到了填補空白的作用，還實現了若干獨特的功能。

圖4 PMC Flashtec NVRAM加速卡

首先，從硬件外觀上來看，這是一款標準尺寸半高、半長的PCIe卡。其設計緊湊，可以置入任何服務器當中，基本上與所有服務器均能兼容。此外，PMC還在該方案之上與主機相連的接口層進行了若干創新。如圖4所示，左邊顯示的是當前應用的原生接口，均是基于塊。因此，我們提供了一個NVMe接口，這對一直采用塊設備的應用而言是原生接口，易于整合。對于進出均使用大塊數據的寫緩存而言，這也是一個原生接口。此外，我們還提供了內存映射訪問。在該模式下，我們將內存容量直接映射到應用的虛擬內存地址空間。因此，當應用需要訪問時，就可以采用CPU的載入／存儲命令將其作為原生內存來使用，而無須耗費任何存儲周期，或觸及任何軟件層。對元數據應用而言，這種方式使之可以非常便利地訪問內存。

圖5 Flashtec NVRAM應用模型

有了這兩個接口：基于塊的接口和內存映射接口，就為寫緩存以及元數據的負載問題找到了解決方案。  那么，該方案在塊模式中提供的性能如何呢？測試結果顯示，該NVRAM 加速卡能提供一百萬次IOPS。將之與SSD相比――與SSD的持續性能水平相比，該產品的性能比SSD要高出10倍。

圖6 Flashtec NVRAM性能十倍于SSD

圖5中展示出將該產品與一款極其先進的PCIe SSD的結果。眾所周知，SSD的性能基本取決于閃存。閃存的性能有可能很高，但就持續性而言，閃存存在不夠耐寫的問題，因此閃存的性能也是不均衡的。相比之下，PMC的NVRAM 加速卡持續性地提供均衡的性能，達到1 百萬 IOPS讀／寫，并且沒有任何耐久度的問題。

再來看看內存映射接口的情況。在內存映射端口，該卡的性能遠遠不止這個數值，對64B隨機寫，能夠持續地提供一千五百萬次IOPS。文中開篇時講到，對于每個需要處理的數據緩沖，都有多次元數據I/O。因而，若要持續維持一百萬次寫IOPS，就需要處理相應的多份元數據。而有了一千五百萬次隨機讀／寫IOPS，該解決方案的性能是游刃有余。

圖7 Flashtech對64B數據處理的隨機寫IOPS可達1千5百萬次

最后一個性能指標是CPU利用率。與基于內存的解決方案相比，采用NVMe驅動的核心優勢在于能夠高效進行DMA處理。NVMe協議在這一方面的有很高的效率。用NVMe將數據從內存移至NVRAM解決方案，效率比利用CPU周期要高出四倍。這一點至關重要。進行內存備份基本上就要消耗CPU周期，而這些時間本可以用于上層應用軟件的處理，這才是CPU資源最需要的地方。

圖8 CPU利用率優于NV-DIMM

PMC的NVRAM 加速卡創立了一個獨特的存儲層級――DRAM和SSD之間的高性能存儲層級。該產品能提供千萬次寫IOPS及百萬次IOPS（4k塊），從而實現了多種應用所需的性能與耐寫程度。該產品采用行業標準的接口，PCIe接口，NVMe接口以及原生內存映射訪問接口，因此，可以縮短系統上市的時間，降低總體擁有成本。如今的存儲市場日新月異，應用場景多樣化，數據類型繁多，NVRAM加速卡的推出是針對企業級關鍵任務應用，提供給設備廠商以及數據中心用戶一個全新的選項。

NVRAM 與NV DIMM的區別

有一些新的方案如NV DIMM，就是拿普通的內存條加電容和flash，斷電以后可以提供保護，機制都是一樣的，形態不一樣。那為什么說NVRAM比它有優勢呢，一個是容量大，再一個NVRAM占用PCIE槽，而不是占用DIMM槽。再一個NV DIMM有很多劣勢需要BIOS支持，NV DIMM插到主板上跟其他的內存怎么區分，BIOS需要區分開，應用需要區分開。混插的時候就比較難，OS你要改，要分清楚哪一塊內存有斷電保護的。再有就是需要硬件的支持，DRAM支持，以及額外支持NV DIMM插槽，這塊更多牽扯到主板，最嚴重的是NVDIMM占用CPU周期內存，影響應用軟件。

NVRAM 里有一個專門移動數據的處理器，會代替CPU把數據移動到NVRAM里。如果用DIMM的話，沒有人做這件事的，只能靠CPU從普通的DIMM讀出來再寫到NV DIMM里面。所以CPU耗費大量的周期去拷貝數據很不劃算。。

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