可編程技術釋放了閃存在企業級應用的潛能

當今的企業級存儲子系統正面臨實質性的變革。大量的企業數據和交易信息每年都會增加50-60%。云計算和虛擬化功能的快速發展能夠更有效的管理這些越來越多的數據負載，導致數據中心的數量和規模都出現了爆炸式的增長。隨著企業級存儲呈指數增長，迫切需要提高存儲器子系統的性能、容量和價值。

系統管理人員發現,主要依靠硬盤介質的傳統存儲體系結構在性能上無法滿足當今工作負載的需求。應用規劃人員的反應是，采用整體分析方法對存儲器進行規劃，在企業領域結合了傳統的存儲介質和新介質——閃存。消費類器件一直以來采用的存儲器介質是NAND閃存，在企業級應用中，其性能比硬盤驅動器(HDD)高出10至100倍。閃存也是高性價比的非易失存儲介質，常用于數據應用中。通過使用閃存陣列，企業能夠大幅度減小存儲體積、CPU的數量以及軟件許可數量，從而降低了數據中心運行所需的總功耗、空間和運營成本。

這一高性能存儲器子系統的核心是基于PLD的可編程狀態機(PSM)。PSM支持RAID算法(保證數據完整性所必須的)、存儲器控制和高速I/O功能。由于其內在的設計靈活性、嵌入式處理器、硬核存儲器控制器以及高速串行I/O模塊，可編程邏輯器件在實現這些狀態機方面獨具優勢。基于PLD的PSM所支持的閃存體系結構平衡了數據完整性、系統更新和可服務能力的性能要求，從而幫助數據中心管理人員滿足日益增長的存儲資源需求。

利用存儲層次結構

可以把某些存儲子系統中的各種類型的存儲器及其扮演的角色看成是一種層次結構，按照性能、成本和容量來排列(圖1)。按性能排列，其最高端是嵌入式處理器存儲器和L1/L2高速緩存。相對的另一端是磁帶備份，其容量非常大，而成本很低，但是速度很慢。其間是存儲子系統的主要介質：相對較快但是昂貴的DRAM、有些慢但是相對低廉而容量較大的Flash RAM，以及HDD——存儲器系統中傳統上主要的存儲介質。

圖1：存儲器類型層次結構。

當今的存儲體系結構混合了這一層次結構中的各類存儲器。有些系統可能含有幾類存儲器，而其他的則只是一兩類。某一系統中所含有的存儲器類型及其數量取決于數據量、處理工作負載以及其他因素。對于企業級數據中心等需要大量數據和I/O的應用，需要采用較多的存儲器類型。HDD存儲器一直是而且今后仍然是主要的數據存儲和訪問介質。但是，對于性能要求很高的關鍵任務應用，閃存由于其優異的性能和具有競爭優勢的價格，替代了傳統的旋轉存儲介質。

企業級應用的閃存

在企業級存儲系統中引入閃存并非一蹴而就。可靠性一直是妨礙閃存在企業級應用的一個問題。在消費類產品中，從蜂窩電話到PC，廣泛而又成功的應用閃存在一定程度上解決了這類問題。雖然在消費類應用中得到了驗證，但是，很多企業級應用的特性，例如，金融交易處理等，都要求確保數據的完整性。通過在基于閃存的系統設計中采用RAID算法，即使是最敏感的應用，也能夠保證數據完整性。

系統規劃人員還需要在各種類型的閃存中進行選擇。目前有兩種常用的閃存：多層電荷(MLC閃存)和單層電荷(SLC閃存)。MLC閃存支持兩種以上的狀態，而SLC只支持兩種。MLC價格也低于SLC。由于MLC閃存的電壓狀態會漂移，因此，很多企業級應用的開發人員傾向于采用更可靠、成本更高一些的SLC閃存。開發人員在企業級應用中通過軟件找到了利用更經濟的MLC閃存的方法。可以采用RAID算法和增強ECC保護功能來降低MLC可靠性帶來的風險。

除了閃存，新類型的存儲器也在不斷發展。相變存儲器的開關時間比閃存更短，而且更靈活，目前還處于發展初期。PCM技術目前的容量還不及閃存，但在企業級存儲器應用中，最終有可能成為可實施的選擇。為能夠管理多種類型的存儲器，并且采用新技術，在存儲器陣列子系統設計中，非常有必要采用靈活而且適應能力很強的可編程邏輯器件進行存儲器控制和管理。

另一考慮是閃存訪問速度。一般而言，I/O和訪問速度是存儲器系統性能的限制因素。支持PCI Express(PCIe)等標準是非常關鍵的，這些標準在服務器群和系統之間提供了高效的管道。而這些標準與其對應的存儲器類型一樣，發展都非常快。因此，任何基于閃存的子系統都應該考慮這種發展趨勢。PLD，特別是提供PCIe內核以及其他優化接口的PLD，能夠靈活的響應這些標準的變化和發展。

FPGA技術

開發人員在尋找實現閃存陣列的存儲器控制功能和I/O接口的方法時，必須要仔細考慮替代方案。傳統的ASSP和ASIC器件選擇缺乏應對快速發展的閃存市場所需要的靈活性。對于大部分應用，ASIC也由于過于昂貴而無法使用。相反，存儲子系統開發人員嘗試發揮閃存的優勢，快速靈活的做出應對，適應新出現的存儲器類型，以及標準的變化。

作為對比，FPGA等可編程IC非常適合基于閃存的企業級應用。FPGA的開發周期非常短，而且成本低，風險低，能夠迅速適應需求的變化，利用新出現的存儲器技術和接口標準，例如PCIe等。采用目前的大容量可編程器件，還可以在多種存儲器類型中內置控制和接口功能，使得子系統能夠同時支持MLC和SFC閃存。也很容易在FPGA邏輯中實現關鍵的容錯RAID算法。

相對于以前ASIC特有的一些特性，FPGA有明顯的性能和定制功能優勢。當今的PLD采用了最高級的硅片工藝節點進行制造，體現了性能最好的半導體技術。例如，28-nm PLD接口現在能夠在高速數據接口上傳送數據，傳輸速率高達28 Gbps，滿足了PCIe、SAS/SATA和光纖通道等高速協議的性能要求。FPGA還具有軟核和硬核IP，例如，存儲器控制器、嵌入式處理器和收發器模塊，進一步提高了性能，豐富了功能，提高了效率。最后，PLD封裝技術的進步還提高了高速I/O端口的數量，以及通用I/O引腳的數量。

閃存高速緩存的可編程狀態機

存儲器陣列生產商Violin存儲器有限公司列出了存儲器陣列的以下高級屬性，其性價比非常高，滿足了下一代24x7企業級數據中心的需求：

* 性能：與HDD相比，在延時和每秒I/O操作(IOPS)上提高了一個數量級，例如，延時達到亞微秒，每個機架大于200K的IOPS，能夠更好的與處理器相匹配。

* 成本：采用固態存儲器，大幅度降低了每GB成本和每I/O成本。

* 可靠性：保證不會丟失企業數據(通過RAID算法)，系統連續服務，不會出現停機。

可以在基于每GB低成本NAND閃存的新一代存儲器陣列上實現這些屬性。其體系結構采用了兩級閃存功能，閃存控制(vFLASH)和閃存RAID(vRAID)。閃存控制器利用了閃存轉換層面上的比特、模塊、平面和芯片級的閃存技術讀、寫以及擦除操作和錯誤狀態功能。VFLASH功能包括記錄結構數據布局，以及閃存管理“垃圾收集”功能來釋放閃存空間。閃存RAID控制器應超越傳統的RAID-1和RAID-5算法，以滿足閃存獨特的特性需求。例如，一個4+1校驗模型要比傳統的算法效率更高，延時更低，還能夠更高效的處理故障，而且不需要替換模塊。

閃存和RAID控制功能都能夠很好的采用FPGA技術來實現(圖2)。在基于硅片的狀態機中，而不是采用傳統的微處理器/軟件方法來實現關鍵算法，能夠大幅度降低延時。而且，如前所述，基于FPGA的實現方法能夠實現非常靈活的設計，適應閃存及其相關特性的快速發展。能夠以非常低的成本，非常快速的把新設計推向市場，發現新機會。而且，利用存儲器控制器、收發器模塊以及存儲器和PCIe的高速接口等FPGA特性，在幾天或者幾星期的時間內就能夠向市場推出很好的系統，這要比傳統的方法快得多。

圖2. 存儲器子系統結構圖。

企業級存儲的新模式

當今的企業級存儲系統需要閃存的性能和成本優勢來實現其競爭能力。與閃存相關的設計難題，例如，確保數據完整性，應對新出現的存儲器類型和標準的不斷變化等，可以通過采用基于FPGA的PSM實現存儲器管理和I/O，來解決這些難題。FPGA技術和閃存相結合，即使是要求最高的工作負載，存儲系統規劃人員也能夠滿足性能需求，保證系統的完整性、靈活性和適應性。