新型I/O架构引领存储之变（一）
作者：廖恒
I/O技术现状分析
科技其实是一个人造的世界，时刻适应着外部的需求变化以及与技术变革相关的内在诱因，而这些内在诱因又可能导致其他部件的变更。高科技公司为了业务发展，持续地关注着人们的需求变化以及技术领域的变革。这样的变革通常以持续演进的形式发生，但是，由于某些环境中极端非连续性的因素，颠覆性的革命也偶有发生。
纵观2013年， I/O技术领域中的触发因素不断积累，催生了一场迫在眉睫的变革。下文中将列举出了几个引发此变革的因素并进行详细描述。
根据2013年针对超大规模数据中心的机架架构、业界标准的服务器架构以及企业级存储系统架构进行的一项广泛调查，我们发现，有两个主要的原因导致了I/O架构的变革。
首先， SSD的广泛运用为I/O技术带来巨大的跃进。先看一下SSD运用的广泛程度。表1为IDC全球固态存储2013-2017预测及分析报告：
表1 SSD出货量预测
表中可见，企业级SSD的出货量将在2017年超过一千三百万。在读密集型应用中，大量PC级SSD（非企业级）也将运用到服务器应用中，尤其在超大规模数据中心的服务器中运用更为广泛。这意味着平均每台服务器将会带有>1.5个SSD，而常见的数据中心服务器中SSD的数量更为可观。因此，SSD的I/O技术将会带来广泛的影响，不仅是在高性能服务器领域，同时也影响到主流的服务器。
让我们来快速回顾一下2013年高端HDD及SSD的性能指标。从表2可以看出，SSD能提供明显的性能提升。
表2 SSD与HDD性能对比
性能上的巨大改善给现有的I/O架构带来了前所未有的挑战，具体如下：
· IOPS挑战——只需1~2个SSD就能让行业领先的SASIO控制器的最大IOPS性能达到彻底饱和。
· 吞吐量的挑战——只需1~2个SSD就能让行业领先的SAS IOC的最大吞吐量性能达到彻底饱 和。只需1个SSD就能让标准SAS扩展的JBOD接口（4条SAS线缆）达到彻底饱和。
· 延迟的挑战——当前的SASI/O架构并非针对延迟而优化，可能远远超出访问时间（10sμs）。主要的系统延迟形态为：
o 主机软件堆栈延迟（10s μs）——堆栈的优化目标是将寻道所用的IOPS降至最低。
o IOC延迟（10s μs）——IOC需要对主机请求进行语法分析，并将其转化为SAS I/O，通常需要一个嵌入的CPU来运行固件，以处理I/O请求并作出响应。
o SAS网格仲裁延迟（1~100s μs）——由于SAS协议中非抢占性连接主导的特性，网格仲裁延迟的变化范围十分宽广。即便是最高优先级的I/O请求也需要等 待正在进行中的连接完成数据传输并关闭，然后用于此高优先级IO请求的新连接才能建立起来。连接的持续时间则取决于IO的数据大小。
· 扇出与设备共享带来的挑战——由于SSD与HDD相比，带来了巨大的性能改善，对许多应用（如数据库应用）而言，系统的瓶颈可能就从I/O转移到了CPU。HDD作为存储媒介时，常见的I/O密集型应用需要许多HDD来提供汇聚的I/O吞吐量及IOPS，才能与一个CPU/主板的处理能力相匹配。因此，当需要将一个主机与多个HDD相连（1:N扇出）时，通常采用SAS技术来实现I/O扇出式的架构。而采用SSD时，存储与CPU的性能比反了过来。为了运行同一个应用，可能需要多个CPU/主板来产生足够的I/O访问以充分利用单个SSD。随着摩尔定律的失效，半导体性能的提升速度放缓，完全可以预见到SSDIOPS的提升将会快过CPU时钟频率的提升，因此SSD与CPU之间IOPS的差距预计将随着时间而持续增加。这就意味着更加均衡的设计需要有扇入式的I/O网格来连接多个主机，共享单个SSD的访问权（N:1扇入）。此外，为了容量扩展的需要，此I/O架构还需要支持N:M扇入/共享的能力。
必须发明新的I/O架构以应对这些挑战
另外一个重要的考量是SSD是否会彻底取代HDD，成为唯一的存储媒介。下面的图表给出了低容量盘（250GB及500GB）的SSD/HDD之间的历史价格对比。由此可见，对500G盘而言，SSD/HDD的价格比大约为8:1，而250G盘则是4:1。对于更高容量的盘而言，价格比大略稳定在10:1。其他更为复杂的研究也提供了设备密度提升的预测，基本上都归结到摩尔定律（每18个月集成电路上可容纳的晶体管数目会增加一倍）对半导体存储技术长期演进的推动，以及克莱德法则（每13~18个月同一价格的硬盘存储容量会翻一番）对磁盘密度的驱动。这些研究带来的关键启示如下：
· 未来十年中，大容量盘仍然以HDD为主。目前基于NAND闪存的SSD技术不会超过HDD的密度。可能需要量产的新非易失性存储技术来改变密度竞争的格局。
· 对低容量盘而言，SSD与HDD之间的价格差距正在拉近，SSD也许会与HDD的价格相近，在不远的将来成为主要的存储设备。
· 采用NAND及机械旋转机制来进行数据存储的混合盘可能会出现，成为中等容量区间中的主要存储媒介。PC用户已经在使用混合盘。但是，由于服务器可以在系统层面混合SSD和HDD并提供更加直接的控制，因此，融合NAND以及物理转盘的混合盘在企业级服务器/阵列及数据中心中的使用仍然不明朗。
因此，未来十年采用的I/O架构必须为SSD与HDD的混合应用提供强有力的支持。
图1 SSD与HDD价格预测
从磁盘接口协议的角度来看，眼下的低价HDD市场中主要采用SATA连接，而具备冗余访问的高性能/可靠性的HDD则采用SAS连接。两种协议都针HDD的性能特性而进行优化。虽然SATA和SAS已经用作SSD的接口协议，但充分利用PCIe总线接口的低延迟以及高带宽的SSD新协议如NVMe和SCSIe已然出现。为了支持HDD与SSD的混合应用，下一代的I/O架构需要为SATA、SAS及PCIe提供原生支持。
综上所述，SSD的飞速发展为I/O架构带来了前所未有的压力与挑战。在未来I/O架构的构想中，SSD的特性固然需要考虑在内，而HDD在容量及价格方面的持久优势也将赋予其持久的生命力。新I/O架构不仅必须支持两者长期的共存，还必须为现有的各种磁盘接口协议（如SATA/SAS/PCIe等）提供原生支持。（待续）
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