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内存与存储之边界迎来变革

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延迟可以说是存储系统永远的痛。没人愿意等待,至少每一套虚拟机都渴望着能以多线程、多核心、多插槽方式在虚拟服务器中大量访问数据。

来源:ZDNet存储频道(编译) 2016年04月05日

关键字:内存 存储系统 磁盘 存储 访问速度 内部存储

内存与存储之边界迎来变

延迟可以说是存储系统永远的痛。没人愿意等待,至少每一套虚拟机都渴望着能以多线程、多核心、多插槽方式在虚拟服务器中大量访问数据。然而随着摩尔定律的逐渐失效,处理器的发展速度已经明显放缓,这意味着改善IO延迟已经成为让昂贵的IT方案发挥更大力量的必由之路。

目前已经有两项新的技术成果得到应用,且二者都能够立足于两大主要存储边界点实现可观的延迟降低效果:其一为内存与存储之间,其二为内部与外部联网存储之间。

内部/外部边界的转移归功于NVMe-over-fabric(简称NVMeF)访问机制。那么这种变革为什么会出现?又是如何实现的?

内部:外部存储边界

内部存储通过PCIe总线接受访问,随后经由SAS或者SATA硬件适配器与协议堆栈对接磁盘或者固态驱动器(简称SSD)。直连NVMe PCIe总线访问属于速度最快的内部存储访问方法,但目前还没能完全取代SAS/SATA SSD以及HDD访问机制。

内存与存储之边界迎来变

内存与存储访问延迟系谱以及NVMe光纤接入阵列所处位置。

要访问容量更大的共享式存储,我们则需要使用联网外部阵列,其通过光纤通道(块访问)或者以太网(iSCSI块及/或文件访问)与服务器相对接。在这里我们暂时不讨论对象存储及Hadoop存储,而将注意力主要集中在通用型服务器的外部存储状态身上。

除了存储介质访问时间之外,网络传输同样需要耗费时间。当磁盘驱动器(简称HDD)在阵列中充当一级存储介质时,其会给数据访问时长添加寻道时间与旋转延迟等因素,这意味着网络延迟表现得并不明显。然而如今的一级外部阵列已经开始向速度更快的SSD转移,这意味着网络传输时长就变得非常重要。尽管光纤通道传输能力已经由过去的每秒8 Gbit提升至每秒16 Gbit,而以太网则由10 GbitE提升至25与40 GbitE,但由于访问涉及往返两个部分,因此网络延迟仍然会加倍。

InfiniBand能够显著提升速度表现,但价格同样令人咋舌,而且与最新技术相比仍然算是比较缓慢。具体来讲最新技术将PCIe总线外部化,并在一套以太网体系之内对外部阵列运行NVMe协议(或者其它同类方案)。

NVMeF访问延迟在200微秒以下。为了让大家更清楚地理解其含义,我们整理出了下面这份延迟表单,具体排名当然是由快到慢:

内存与存储之边界迎来变

虽然看似精确,但其中的数字其实比较粗糙,另外实际接入延迟也要比图表中所列出的更高。

最右侧的一列立足于日常环境,即将一级缓存的访问时长规定为1秒,而后以此为基础进行等比计算。因此,二级缓存访问耗时更长,为一级缓存的14倍--那么其访问流程则为14秒。DRAM存取时间为一级缓存的400倍,即6分40秒。NVMe PCIe SSD写入为一级缓存访问时长的6万倍,实际时长为3万纳秒--听起来挺快,但在将一级缓存作为1秒来考虑时,其耗时将达到令人难以置信的40分钟。

再来看SAN访问:300毫秒,根据我们的计算条件其相比时长将达到19年5天10小时40分钟。DAS磁盘访问时长不到其一半,为100毫秒,而NVMe访问在写入时延迟为30微秒、读取则为100微秒。

经过我们的换算,NVMeF写入操作的相对时长为16小时40分,读取则为61小时6分40秒。

目前DSSD D5与Mangstor NX阵列基本能够达到NVMeF的微秒级读取/写入延迟水平。

这种光纤通道或者iSCSI SAN与NVMe-F方案间的访问延迟差异如此巨大,使得众多供应商积极投入其中并希望借此彻底摧毁传统存储产品。目前新方案中的典型代表包括DSSD、E8、Mangstor以及Mangstor合作伙伴Zstor。

内存:存储边界

内存存储边界为DRAM(其属于易失性或者说非持久性存储介质--即断电后数据将丢失)同存储(即持久性或者说非易失性介质--断电后数据仍能保留)的对接处。

内存与存储之边界迎来变

NVDIMM-B属于利用闪存作为备份手段的内存DIMM,因此其拥有内存级别的访问速度。

这种对接会造成速度损耗,因为即使是速度最快的非易失性介质--闪存--也要远慢于内存访问速度(0.2微秒对30/100微秒,二者分别为NVMe SSD的读取与写入延迟)。

要解决这一难题,我们可以直接将闪存接入内存总线,也就是闪存DIMM(简称NVDMM-N)技术,这使其延迟能够达到5微秒水平。Diablo Technology走的正是这条路线,而SanDisk也在这方面拿出了其ULLtraDIMM方案。不过这样的速度水平仍然只有内存访问的二十五分之一。

英特尔与美光的3D XPoint技术据称能够提供远高于闪存的非易失性存储性能。双方指出,XPoint的速度表现可达SSD的1000倍,虽然仍不及DRAM,但延迟水平已经得到显著降低。

好了,假设普通SSD(非NVMe)的平均延迟为200微秒,将其除以1000则为200纳秒,与DRAM一样--这显然是胡说八道。英特尔/美光明显是将XPoint同某些老古董级的SSD比较才得出了这样的结论。

内存与存储之边界迎来变

添加了3D XPoint与非NVMe SSD访问速度的新版延迟图表。

那么我们假定XPoint的延迟为500纳秒,那么乘以1000则意味着作为其比较对象的SSD延迟为500微秒:好吧,反正我是没见过这么差的SSD技术。

无论如何,如果XPoint真能达到其宣称的效果,那么内存:存储边界将在系谱图中向左侧移动,而应用程序软件开发者则将迎来新一轮速度提升--至少是在使用XPoint的设备上。

除了XPoint,可能还存在其它一些类似的新技术,例如旋矩存储或者惠普旗下的忆阻器方案,而它们的出现将令内存与存储的边界再度向右移动。

那么以上设想真能变成现实吗?

在我们看来,答案应该是肯定的。诚然,相关变革需要相当长的推进时间并面对一系列挑战。不过面对着夸张的现有数据延迟以及新技术所做出的令人心动的提升承诺,其到来将是不可避免的。

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