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          中國數據存儲服務平臺

          英特爾數據存儲創新三大技術看點和猜想

          “話說天下大勢,分久必合,合久必分。周末七國分爭,并入于秦。及秦滅之后,楚、漢分爭,又并入于漢。漢朝自高祖斬白蛇而起義,一統天下,后來光武中興,傳至獻帝,遂分為三國?!边@是 “分久必合,合久必分”典故的出處。

          天下大勢如此, 數據信息產業的發展也概莫能外。但是大家也有一個疑問:現在的技術發展是三足鼎立呢?還是分久必合的趨勢?

          在2022中國數據與存儲峰會上,來自英特爾的三位技術專家英特爾數據中心事業部 云解決方案架構師高偉、英特爾中國政企事務部及全球OEM解決方案經理吳國安、英特爾網絡與邊緣計算事業部云計算軟件開發工程師裴迪分別從CSAL/WSR、持久內存存儲和IPU SPDK存儲卸載加速/優化的角度對數據存儲的問題給出了解讀。這些技術各有特色,依托各自強大的優勢鼎立支持英特爾的技術發展

          同時他們也具備一個共性,就是要解決爆炸式數據增長所帶來的數據處理方面的問題。如Cloud Storage Accelerate Layer——CSAL(此前叫WSR),是利用QLC和傲騰構建云存儲方面的價值,在提高性能和SLA的同時,提高存儲密度,降低數據處理合存儲的成本;傲騰持久內存存儲模式優化,主要解決外部數據存儲IO性能瓶頸的問題;相比,SPDK結合英特爾IPU對存儲相關協議進行卸載和優化,則是充分利用IPU等異構計算來解決高性能和擴展性的問題。

          讓我們一起深入了解,這些技術是如何操作和實現的。

          CSAL(WSR)助力阿里云打造更具競爭優勢的云存儲

          隨著CPU性能的不斷提升,以及PCIe 4.0時代的來臨,原本基于磁盤的存儲方案越發捉襟見肘。磁盤存儲容量有所提升,但單位容量的性能卻不斷降低,從而使得SLA下降。

          以阿里云的一個實踐案例來看,阿里云旗下大數據計算密集型實例規格族D2C采用的是磁盤的配置,在采用了CSAL和QLC加傲騰的技術組合后,阿里云推出了新的D3C實例。

          新的D3C實例不僅存儲性能和SLA有所提升,而且,整體密度增加3倍,RACK級別實現了3倍節省,減少了機架的空間占用,令阿里云受益良多。

          D3C實例需要使用最新的QLC存儲介質,但是QLC在耐久性上和寫性能方面有許多問題,特別是在處理小IO的時候,其性能并沒有比磁盤高多少,甚至在小數據塊的順序寫場景中,其性能還不如磁盤。

          在分享中高偉詳細分析了造成此現象的原因:簡單用QLC閃存盤替換磁盤的做法是行不通的。

          阿里云旗下有I系列和D系列兩類提供EBS本地存儲的ECS實例,I系列強調低延遲和高性能,主要用于數據庫場景,D系列強調低成本和大容量,主要用于大數據分析場景,新推出的D3C實例在性能上有大幅提升。

          在構建實例的過程中,為了解決QLC在耐久性和性能方面的問題,英特爾和合作伙伴在過去一年里開展了一個叫CSAL的項目,而CSAL的作用主要有四個方面:

          1,可根據用戶工作負載需求自由調整的NAND存儲性能和容量;

          2,使用性能和耐久性都很高的傲騰來彌補QLC性能和耐久性不足的問題;

          3,提供英特爾至強原生的高性能存儲;

          4,多租戶下有更穩定的QoS表現,機架級別實現了三倍節??;

          新的D3C實例采用了新一代的代號為Ice Lake的英特爾至強可擴展處理器,搭配CSAL技術和傲騰加QLC的技術組合,在計算和存儲性能方面都有了大幅提升。

          與此前的D2C相比,原來一臺服務器只能提供一個大規格的虛擬機,而現在,一臺服務器可以提供兩個大規格的虛擬機。

          并且,從TPCx-HS和TPC-DS兩個跑分測試數據來看,新的D3C的性能表現都比原來的D2C有所提升。

          此外,高偉還介紹了CSAL架構方面的更多細節,以及CSAL在新一代ZNS閃存盤上的一些性能數據,如何未來發揮更多作用。

          英特爾?傲騰?持久內存存儲模式的優化,值得期待

          英特爾?傲騰?技術的研發始于2012年,2019年英特爾?傲騰?持久內存100系列與第二代英特爾?至強?可擴展處理器共同發布,隨后,隨著第三代英特爾?至強?可擴展處理器的發布,又發布了第二代的英特爾?傲騰?持久內存200系列,而第三代英特爾?傲騰?持久內存也將在明年年初與第四代英特爾?至強?可擴展處理器一道發布。

          從英特爾技術專家吳國安的介紹中了解到,第三代英特爾?傲騰?持久內存的性能相比于200系列還會有大幅地提升。令人遺憾的是,由于一些原因,英特爾不再開發第四代傲騰持久內存產品,但后續將依靠至強平臺支持的CXL協議來擴展內存的容量及帶寬。

          吳國安分享的重點是持久內存SNIA編程模型的優化問題,如圖可見,編程模式分兩種,一種是右側的內存編程模式,另一種是左側是存儲編程模式,左側是此次關注的重點。

          與內存編程模式不同,存儲編程模式不需要修改代碼,并且,可以像操作普通磁盤和固態盤那樣把傲騰當做塊設備來使用,之所以能做到這點,很重要一方面就是因為有一個叫BTT的核心算法。BTT核心算法可以將字節訪問的持久內存設備,映射成為Block原子性的塊設備,從而將持久內存設備視為是快速且低延時的SSD。也因此,它具有了和SSD一樣的編程模型,這意味著它可以利用現有的SSD的生態,使用傳統的讀寫接口,在所有現有的文件系統下正常工作。

          在這種模式之下,傲騰持久內存可以像普通SSD一樣,作為緩存來加速存儲性能。

          最近,Linux內核方面有兩個優化,這兩個優化可以大大提升這種模式下的性能表現。分享中詳細介紹了持久內存存儲編程核心算法-BTT的更多細節,介紹了兩種優化存儲模式的方法,一種是算法優化,將BTT算法在持久內存中的16字節的bflog操作邏輯變為內存中的操作,減少寫操作的開銷。

          另一種是動態控制deepflush,利用英特爾平臺的ADR功能而無需使用deepflush指令從而獲得非常好的性能提升。

          最后,讓我們再看持久內存存儲編程模式可能的發展方向。新一代的英特爾至強可擴展處理器將內置DSA的加速器,它可以卸載CPU的數據搬遷工作,從而節省CPU的資源,又比如CXL技術將來可以和持久內存存一起來獲得更優的存儲性能。

          詳細的技術細節也可以參考:持久內存BTT實現及優化(一)持久內存BTT實現及優化(二)。

          相關的代碼可以參考:[PATCH] BTT: Use dram freelist and remove bflog to otpimize perf以及[PATCH] ACPI/NFIT: Add no_deepflush param to dynamic control flush operation?!?/p>

          SPDK在英特爾IPU的存儲卸載中有重要作用

          SPDK(Storage Performance Development Kit)提供了一系列的工具和類庫來創建高性能、可擴展的、用戶態的存儲應用,能用于構建超高性能的存儲應用。

          去年,英特爾正式發布了兩款IPU(Infrastructure Processing Unit),一個叫Big Spring Canyon(BSC),另一個叫Mount Evans,兩款IPU都能對存儲進行卸載,并利用SPDK來提高性能。

          英特爾技術專家裴迪介紹了IPU推出的背景和IPU的諸多價值。IPU不僅可以減少CPU資源的浪費,讓CPU得到更充分利用,還能提升性能和降低延遲,此外,通過軟硬件的結合,從而為云基礎設施帶來更高的靈活性。

          Big Spring Canyon(BSC)是由英特爾?至強?D系列處理器和FPGA智能網卡來構建的,其優勢在于可以利用英特爾?至強?強大的軟件生態,性能強大,功能強大,還可以應對未來新的需求和定制化的需求。

          Big Spring Canyon(BSC)卡的使用場景可以分為虛擬化模式和裸金屬模式兩種,裴迪結合兩種典型的使用場景在技術層面上做了一些具體的介紹。

          裴迪介紹了SPDK軟件結合Big Spring Canyon(BSC)來支持存儲卸載和彈性塊設備的技術細節,讓我們看到了SPDK軟件在Big Spring Canyon(BSC)卡的存儲卸載方面有重要作用,之所以使用SPDK來完成存儲卸載工作,是因為SPDK具有強大的優勢:

          一方面,因為SPDK是一個用戶態的軟件,使用了Polling mode避免了內核態IO處理頻繁上下文切換帶來的性能開銷,SPDK的數據面零拷貝和無鎖的特性也極大提高了性能。另一方面,SPDK目前已經比較成熟,支持多種遠端存儲。

          Mount Evans是一款基于ASIC芯片和ARM CPU打造的IPU,提供2 x 100G的網絡能力,它是由英特爾和谷歌合作開發設計的。

          Mount Evans繼承了以往多款基于FPGA的智能網卡和IPU的開發經驗,可應對各種真實的工作負載。它不僅擁有強大的性能,而且,在安全性和隔離性上面也具有更高水平的實現,從設計之初就將安全性和隔離性視為重中之重。

          Mount Evans在硬件層面有許多技術創新,比如,它具有業內一流的可編程的包處理引擎,它擁有從英特爾傲騰拓展而來的NVME存儲接口,它支持下一代可靠傳輸技術,它還帶有先進的解壓縮加速器。

          在軟件生態方面,Mount Evans經由軟件開發人員、硬件開發人員和加速器開發人員共同設計開發,有更好的軟硬協同。它支持Barefoot P4 Studio,可以為開發者提供更好的可編程性。另外,卡上運行的Linux操作系統能夠充分利用DPDK、SPDK以及IPDK等軟件生態。

          在Mount Evans的CPU上也運行著SPDK存儲服務,可以提供存儲卸載和加速,SPDK在不同形態的IPU產品上都可以快速的匹配對應的硬件,同時提供高性能、高可擴展性,可對接到不同的存儲服務中,為IPU加速產品化提供存儲生態上的支持。

          裴迪介紹了Mount Evans用SPDK卸載存儲的技術細節和一些典型的使用場景,在技術實現上,重點提到了一個叫vDPA的技術,vDPA技術增加了更多硬件實現的功能,從而帶來性能加速效果。

          同時在IPU結合SPDK的使用場景中,也有涉及到最近比較熱門的FaaS (Function as a Service)云原生相關的支持。

          以上是三位專家演講內容的概要,如果想了解更多演講具體內容,歡迎查看視頻回放。

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