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为数据中心应用加速,百乐门棋牌:新一代存储

作者: 技术支持  发布:2019-12-17

百乐门棋牌,原标题:Optane + QLC,Intel存储未来靠他俩?

·随着网络带宽的高速扩展,各种PC、智能设备和移动计算终端帮助个人、组织和企业创造了海量的数据。根据国际数据公司IDC的预测:到2025年人类创造的数据总量将达到163ZB,将比2016年创造出的数据总量增加十倍。其中,企业端数据的存储量将从之前的30%提升到50%以上。

在刚刚过去的8月份,Intel公司在SSD存储方面动作频频。

在这些海量数据中,有的数据价值千金,也有很多数据存储起来就好。那么我们应该如何高效地利用好这些数字财富呢?数据分层是一个必然的选项。和10年前传统的“冷、热”数据分层不同,今天大数据时代的用户应用需求已经将数据本身的热度进一步细化。其中包括:需要实时处理、对访问延迟有严苛要求的“热数据”;需要经常访问,对存储系统读写性能要求较高的“温数据”;以及只需进行备份、访问频率很低的“冷数据”。这同时也带来了更加细分的硬件需求。

Intel的SSD存储主要包括基于3D Xpoint技术的Optane产品和基于NAND闪存技术的SSD产品。Intel将Optane升级到更大的1.5 TB容量,但也许是PCIe接口带宽和控制器的性能限制,1.5TB容量Optane性能与之前产品并无不同,读写性能均为55万IOPS,延迟保持在10 µs级别。

在最近10年里,以英特尔为代表的存储业界厂商陆续发布了3D NAND和3D XPoint两项革命性的存储技术,衍生出了傲腾数据中心级持久内存(Optane DC Persistent Memory)、傲腾数据中心固态盘(Optane DC SSD)和QLC 3D NAND SSD三大类新品。无论是读写性能、耐用性还是使用成本,它们相对于以往的存储产品都有很大的提升。接下来,就请大家和我们一起来了解它们将如何改变“存储的世界”,如何满足应用带来的全新需求。

在NAND闪存方面,Intel推出了采用64层3D NAND技术的QLC SSD产品,单盘最大容量可达32TB。在应用到Intel最新的符合EDSFF规范的Ruler系列(即“尺子”系列)之后,在1U标准机架空间内就能提供1PB的存储空间。

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从纸带到异构存储

通过Optane的高性能+QLC SSD大容量但稍低性能的产品组合,Intel提出了“重塑架构”的口号,有意替代现有的数据中心SSD产品组合。

看存储设备发展的过去与未来

Optane(中文名:傲腾)是Intel在2015年前后就预览的新一代存储产品名称,目前有375GB、750GB以及最新的1.5TB三种容量规格,均使用PCIe+NVMe协议组合,外观上除了常规固态盘的插卡式(Add In Card,AIC)和U.2两种接口形态,还有DIMM形态的Optane DC Persistent Memory,充分利用Optane比常见基于NAND闪存的固态盘更好的写性能,包括更低的延迟和更好的耐用性(寿命)。

自计算机体系结构确立后,其存储能力就被提到了一个非常高的地位上。不过问题在于:受制于工程、技术和制造等各方面的难题,早期的存储设备发展并不顺利,读写速度也非常慢,并且容量更是小到我们今天难以想象的程度。

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“上古时期”的计算机都配备了一条条长长的纸带,纸带上打满了孔,或者是一些打了孔的卡片—没错,那就是早期的计算机输入输出设备。由于缺乏可靠、方便的存储和输入、输出设备,人们只好将命令翻译成1010101指令,通过打孔器写在纸带或者卡片上,计算机将一条条指令读入,计算完成后再通过在纸带上打出的孔洞将结果输出,最后再由转译人员翻译出来计算结果。

采用3D XPiont技术的Intel Optane系列产品,在数据中心存储产品中被命名为Intel DC P4800X(已改名为Optane DC SSD),从上往下分别为AIC形态和U.2接口形态产品,在相同容量规格下,只是形态的不同,具有相同的性能。

到后期存储器则进化为和纸带有些类似的磁带,当然后者存储密度大得多。磁带存储数据的优点在于容量较大,但问题在于磁带并非随机读写设备。受制于磁带本身的物理结构构造,如果需要找到一定的数据,机器甚至需要读取完整个磁带。

Optane系列产品与普通NVMe SSD具有相同的外形,在性能方面,从纸面数据来看,Optane的读性能与基于NAND闪存的中高端SSD相差无几,主要在写性能和响应时间方面有优势,但受限于PCIe接口的规格等因素,基本处于同一数量级。如下图为Optane与Intel DC P4600系列SSD(面向写密集型应用场景)在相近容量规格下的性能比较(纸面数据):

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▲常见的数据中心使用的PB级别磁带存储库,其存储材料都为磁介质。

E企研究院根据Intel官网公布数据整理,在相近容量规格下,Optane与DC P4610的性能对比:在读性能方面,Optane与DC P4610相近,甚至还有不如;但在写性能,尤其是随机写性能方面,是DC P4610的数倍,且具有更低的延迟;在写寿命方面,Optane每天的可擦写次数几乎是DC P4610的15倍(而DCP4610在基于NAND闪存的SSD中的定位已经算是比较耐写的了)。

很显然,磁带这样的设备因为顺序读写的限制,在速度上完全满足不了快速发展的计算机需求。因此,人们考虑加快存储设备的速度,尤其是增加随机读取特性,而这样的需求就带来了“温彻斯特存储架构”。所谓温彻斯特存储架构,是指通过可移动的磁头臂在旋转的盘片上不同位置使用磁感应的方式存储数据,这也是当今机械硬盘的主要工作原理。

从Intel公布的数据来看,Optane写性能确实要比NAND闪存高出几倍,且延迟更低,但都处于同一数量级,而Intel也坦承Optane的每GB成本要高出一些。要完全发挥出Optane的性能优势,首先要找对应用场景,同时需要对应用进行优化,这些都会成为用户规模使用Optane的阻碍。但从长远结合NAND闪存的发展趋势来看,类似Optane的新一代存储必然是未来的趋势。

虽然机械硬盘找寻数据的速度比磁带快了很多,但它仍存在先天不足—假如需要读取3个数据,分别存放在磁盘的最内圈、中间圈和最外圈,机械硬盘需要移动3次磁头,并等到盘片旋转至相应的位置,才能将数据读取出来,这个过程被称为寻道,所耗费的时间被称作寻道时间。假设每次移动磁头需要10毫秒,那么10次就是100毫秒—如此长的时间严重影响了硬盘的随机性能,如何解决这个问题?最终经过多年的研究与积累,科学家在非机械结构的NAND芯片上找到了答案。

替代高端NAND存储 Optane凭什么

SSD问世

历史总是惊人的相似,十年之前,Intel率先推出X25系列SSD,随后NAND闪存逐渐取代了高端(高转速)硬盘,而现在Optane的推出则将替代高端NAND闪存产品,主要面向写密集型应用场景或读写混合负载场景。

机械部件再快也存在延迟,无法和迅如闪电的电信号相比。那么,怎么使用电信号存储数据呢?为了解决这个问题,技术人员们发明了NAND结构并将其实物化为NAND闪存芯片。在1992年,英特尔就制造出了12MB的NAND存储产品,不过当时闪存芯片成本极高,12MB的存储设备需要多块芯片支持,因此在早期这样的产品往往只用在特殊领域。

类似Optane之类的新型存储介质产品取代现有NAND闪存用以支撑性能需求苛刻场景是必然的技术趋势,NAND闪存的发展经历了SLC、MLC、TLC、3D MLC/TLC等技术阶段,现在已经开始向3D QLC演进,容量确实不断增大,成本也逐年降低,但其性能(尤其是写性能和耐久性)却呈现停滞乃至倒退发展的现象。

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目前数据中心解决性能(或曰写性能)问题主要使用专门面向写负载优化的SSD,如Intel的DC P4600/4610系列SSD。但随着企业数据中心对性能的需求越来越高,尤其是对QoS(Quality of Service,服务质量)的要求越来越严格,基于NAND闪存的SSD产品已经很难满足其需求。而Intel Optane产品的推出正是为了解决写性能以及QoS的问题。据Intel公布的测试数据显示,Optane的写性能几倍于DC P4600系列SSD,更重要的是在延迟表现方面,Optane的延迟表现更加平稳,更符合企业应用对存储QoS的需求。

▲英特尔在1992年就推出了容量为12MB、基于NAND闪存芯片的存储设备,在2014年英特尔更打造出了存储容量达2TB的固态盘。

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近年来随着技术的发展,NAND闪存芯片成本大幅下降,最终其实用化的产品上市,这就是大名鼎鼎的固态盘即SSD—由多颗NAND闪存芯片组成的大容量存储设备。

据Intel公布的测试数据显示,(图左)在队列深度为1的情况下,随着(并发)压力的增加,DC P4600系列SSD的延迟将线性提高,而Optane的延迟仍平行于横轴,最终Optane与DC P4600系列SSD的延迟差距最大达到63倍。当然随着压力的增加,Optane与DC P4600的IOPS性能都会随之增长,但对于企业特定关键应用而言,高延迟的高性能是没有意义的,在所允许的延迟范围内,Optane的性能显然更符合应用需求。

固态盘一上市,就以超越机械硬盘数十倍的随机读写速度、革命性的使用感受征服了无数用户。在使用了固态盘后,操作系统启动时的随机小文件加载速度得到了大幅提升,操作系统本身的启动甚至可以在数秒内完成。

Optane的性能优势还体现在另一方面,即在较小容量下就能达到较高的性能,比如最小容量375GB的Optane的读写性能就能达到55万IOPS,而NAND闪存要达到较高性能,通常要部署较多的NAND闪存颗粒并发提供性能(与HDD类似),这就意味着在某些特定应用场景下,比如需要较高性能,但容量需求较小的情况下,较小容量的Optane就能满足,而采用NAND SSD的话,则可能有较多的闲置空间,导致容量浪费。

不仅如此,之前机械硬盘的一些“老大难”问题:比如大量工作碎片文件存储读取、大容量数据转移等,在固态盘出现后都得了根本性改善。同时固态盘也得到了消费者很高的接受度,自2008年英特尔首次推出两款主流SSD:X18-M与X25-M后,其SSD产品与其CPU产品一样得到了高速的发展。

并且,从实验室数据来看,在单纯的读负载或写负载测试环境下,NAND闪存(如DC P4600)还是具有较高的性能,但在读写混合负载测试下,由于NAND闪存在写操作方面的突发延迟不可预估,导致整体性能会出现波动,即QoS很难控制。而Optane新存储介质的特性,在读写性能方面并无区别,并具有稳定的延迟表现,更利于存储QoS,能够很好地满足企业关键应用,以及多租户公有云的存储QoS需求。所以目前Optane系列产品已经在企业数据中心与公有云数据中心开始规模部署。

当然像所有产品一样,固态盘也有自己的不足。首先在性能上,固态盘与计算机中的上一级存储设备:内存仍存在很大的差距,内存的访问延迟小于0.1微秒,传输带宽也可轻松达到每秒几十GB,而传统固态盘的访问延迟一般还是会接近上百微秒左右,并且单块固态盘的最高传输速度、随机读写性能与内存相比还是相距甚远。同时由于NAND闪存先天的设计机制,很多SSD还存在使用得越久、性能就越差的问题。

QLC SSD替代大容量磁盘 D5可堪重任?

三级异构存储架构初显形

如果Optane解决了性能问题,那么NAND闪存专注于解决容量问题也就理所当然,毕竟从当前NAND闪存技术的发展趋势来看,性能与容量同时发展并非不可,但需要更复杂的技术以及更高的成本,这显然并不利于NAND闪存取代HDD。而如果不过分注重性能(尤其是写性能)的话,即意味着单位成本将显著下降,这将加快NAND闪存取代HDD的速度。

企业的数据存储主要分为热数据、温数据和冷数据这3个层次。热数据即需要立即进行处理的数据,例如银行收到的转账请求,即时的地理位置等。温数据是非即时的状态和行为数据,例如用户近期感兴趣的话题,或用户最近去过的地方等。冷数据则是不经常访问的数据,例如企业备份数据、业务与操作日志数据、话单与统计数据等。

如果将性能层让位于Optane,那么NAND闪存自然下沉到容量需求型市场,满足读密集型应用场景,或作为温数据存储层。在前几天举办的闪存峰会上,Intel首次推出了采用64层3D NAND技术的QLC SSD产品,最大容量可到单盘32TB,实际上已经体现了这一趋势。

在硬盘问世之初,根据不同层次的数据存储在不同设备上的异构存储雏形就已显现—温数据主要存储在机械硬盘上,热数据则主要由内存处理,但由于内存容量较小,还会使用部分硬盘容量作为虚拟内存存储热数据,几乎很少用到的冷数据则存储在磁带机上。这样存储数据的问题也很明显,不论是机械硬盘还是磁带机的性能都非常低,经常可以看到硬盘灯狂闪,程序应用却迟迟没能启动或数据传输时间过长的状况。而随着SSD的问世,为了更加高效地存储海量数据,各层次数据的存储方式又有了一些改变。

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为了合理分配预算,现阶段企业常见的数据存储方式是热数据使用内存进行处理,温数据大多存储在SSD里,冷数据则保存在机械硬盘里。不过这里存在的问题就如前面所说—三个级别的存储设备性能差异太大,访问延迟不到0.1微秒的内存还是要“耐心”等待近百微秒级SSD在数据上的传输,而且其传输的数据量远远跟不上内存的传输能力;其次由于内存价格偏高,因此内存的容量也无法同SSD、硬盘相比,易出现存储热数据时容量不足,从而造成处理器处理数据必须直接从SSD或机械硬盘等低速设备中读写数据,降低整体处理速度。

Intel公司推出的QLC SSD(D5 P4326),单盘最大能到32TB,主要解决温数据存储需求

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如果用于满足容量需求,显然现有的AIC和U.2接口形态产品由于空间和散热条件的限制,存储空间的提升在一定程度上依赖于NAND技术的升级。如果能够突破物理限制,在有效空间内部署更多NAND闪存颗粒,就能大幅提升存储容量, EDSFF接口规范由此应运而生。Intel的Ruler系列SSD则是EDSFF+QLC SSD组合的产品实践。

▲传统的三级异构存储架构存在较大的性能与容量鸿沟。

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而冷数据仅仅只使用机械硬盘或磁带机显然也会带来很低的效率。就拿机械硬盘为例,其访问延迟是10毫秒级别,也就是说在10000微秒左右,单块机械硬盘的连续读取速度难以突破300MB/s,在QD32下的随机4KB IOPS也很难达到1000,与QD1下就能轻松实现5000 IOPS的SSD相比完全是天壤之别。那么对于企业级用户来说,应该如何解决这些问题呢?

为了实现更高的存储容量需求,Intel在现有AIC和U.2接口形态SSD基础之上,增加了符合EDSFF接口规范的Ruler系列SSD(即“尺子”系列)。Ruler系列SSD拥有更大的闪存颗粒部署面积,能够满足更高的容量需求;同时EDSFF规范支持PCIe x4和x8通道,这为发挥更高的闪存性能提供了基础条件

构建多级异构存储

QLC SSD产品的加入促使Intel对现有SSD产品线进行调整,并重新命名,新命名方式如下图:

对于这些问题,英特尔给出的解决方案就是在原有存储体系中加入傲腾数据中心级持久内存、傲腾DC固态盘、英特尔QLC 3D NAND SSD这三类产品,打造多级异构存储架构。其中傲腾数据中心级持久内存、傲腾DC固态盘都使用相同的存储介质—3D XPoint,但两者的设计、作用又有所不同。

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Intel SSD新命名方式,除了Optane(即“傲腾”)仍保留原有品牌名之外,原来的DC S以及DC P系列全部重新以字母(即D)加数字的方式,按细分领域、接口、耐用性和性能进行分层。结合Intel在(Xeon和Core)处理器方面的命名来看,数据中心SSD的(D1/D3/D5/D7)命名与Core(i3/i5/i7/i9)的命名似曾相似?而PC端的(5/6/7/8)命名是否与Xeon SP处理器的命名异曲同工?

▲加入傲腾数据中心级持久内存、傲腾DC固态盘、英特尔QLC 3D NAND SSD这三类产品可以提升整个存储系统的容量、性能、效率。

值得注意的是,新一代QLC SSD中不再使用SATA接口,而全部采用PCIe接口,如上图,QLC SSD全部包含在D5系列中。根据Intel的解释,QLC SSD能够显著提高单盘容量,单盘容量提升了,但(SATA、NVMe)接口的性能并没有提升,这就意味着单位容量(每TB)的性能将会下降,SATA接口将不再适用于大容量SSD。这一问题的深层次原因可能是,大容量SATA SSD用于数据中心,一旦出现故障,受限于SATA接口带宽性能,可能需要较长时间才能实现数据恢复。

傲腾数据中心级持久内存

从技术上来看,Optane确实有可能替代面向写优化的SSD产品,作为高性能存储的不二选择,而根据NAND技术的发展趋势来看,NAND闪存未来专注于容量增长未尝不是一个更好的选择。在这种情况下,Optane+QLC SSD的组合将是Intel未来存储战略的奠基石。而Intel也将会在未来高性能存储市场一家独大,延续其在SSD市场的霸主地位。但存储市场并非只有Intel,还有其他对手,用户将如何选择?Intel的市场战略也许需要做更多努力。返回搜狐,查看更多

傲腾数据中心级持久内存即Optane DC Persistent Memory,也被简称为傲腾DCPMM。它采用了DDR4内存的外形设计,可以与英特尔Cascade Lake至强可扩展处理器搭配使用,其最主要的特性是通过使用DDR4接口,使得它具备1微秒以内的访问延迟,以及极高的存储密度,能够在系统中提供略低于内存的性能,但大得多的热数据存储容量,其双插槽平台最高可使用高达6TB的DCPMM。

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▲傲腾数据中心级持久内存拥有接近传统DRAM内存的性能,但又具有非易失性,容量远超DRAM内存的特性,能够大幅提升数据中心应用效率。

在工作方式上,傲腾DCPMM有两种模式,一种被称为Memory Mode,另一种是APP Direct Mode。Memory Mode是指将傲腾DCPMM看作DRAM,以内存方式运行。在这种情况下,系统将向傲腾DCPMM给出大量的DRAM分配,使用傲腾DCPMM作为主存储器,DDR4作为缓冲器。

如果缓冲区数据包含直接需要的数据,那么将启用标准的DRAM快速读/写功能,而如果数据在傲腾中则会相对稍慢一些,但比读取传统SSD固态盘快得多,达到更高的效率。在这种模式下,数据是易失性的,一旦断电就会消失。

在APP Direct模式中,应用程序可以直接连接到内存部分,选择直接载入(Direct load)或者内存存储(Store Memory)模式,根据需要判断哪些数据适合在DRAM上存放,哪些适合在傲腾DCPMM中。一般来说,对延迟敏感且不需要长时间存储的数据可以交由DRAM负责,另外大部分数据则交给傲腾DCPMM,包括内存数据库、内存分析框架等都适合APP Direct模式。在这种模式下,数据是非易失性存放的,即使断电也不会影响到数据的安全性,可以快速重启系统,充分使用了傲腾DCPMM的非易失性特性。

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