有人說,歷史是沿著螺旋狀的路線逐漸上升前進,儲存陣列架構的發展也可做如是觀。當前的通用硬體化潮流已風行了10年以上,幾乎完全取代了上個世代的專用硬體架構,然而在最新一波儲存產品發展中,又開始走向引進專用硬體的方向。

2000年代初期的儲存陣列控制器核心,大多是通用處理器+專屬ASIC晶片的架構,通用處理器負責一般管理,ASIC則承擔I/O處理作業。但由於ASIC開發成本高昂、更新速度緩慢,後來開始流行完全通用處理器的架構,而沿著這個路線,不僅控制器核心走向通用硬體架構,整個儲存陣列也開始朝向徹底的通用硬體化,也就是以標準的通用伺服器硬體來打造儲存設備。

但過去幾年以來,隨著即時壓縮與重複資料刪除(Data Deduplication,De-Dupe)等資料縮減技術(Data Reduction),開始普遍成為儲存陣列的基本功能,也導致儲存陣列控制器的運算壓力急驟增加,連帶也出現了設法將資料縮減運算卸載給專用硬體處理的做法,從而讓過去只見於磁帶機、虛擬磁帶櫃(VTL)等備份產品、用於資料縮減運算的壓縮晶片等專用硬體,也開始被應用到通用型儲存陣列上,改變了先前儲存陣列產品完全通用硬體化的架構。

當前主流架構——基於通用硬體的軟體定義架構

以標準通用伺服器硬體來打造儲存設備,是當前企業儲存產品的主流,在這種架構下,儲存設備與一般伺服器唯一的不同,只剩下系統核心運行的是專供儲存服務的軟體,也就是所謂軟體定義化(Software defined)的儲存。

採用通用硬體的最大優勢,便是硬體成本低,且便於迅速更新。由於所有硬體元件都來自標準的通用伺服器,不僅元件的取得與後勤管理相對容易,也能跟隨Intel更新處理器而同步升級,從而省下自行開發的龐大開支與時間。

然而即時壓縮與重複資料刪除等資料縮減技術的應用,卻暴露了通用硬體架構的不足。

全快閃儲存帶動資料縮減應用的擴展

壓縮、De-Dupe等資料縮減技術,在企業儲存最初是被應用在備份領域,藉以節省備份占用的儲存空間,與備份作業耗用的時間。

不過當全快閃架構於2010年代初期開始應用於企業儲存時,考慮到NAND Flash記憶體單位容量成本高昂,且寫入壽命有限,多數新創廠商發展的原生型全快閃儲存陣列產品,均將壓縮與De-Dupe列為儲存作業系統的基本服務之一,以便減少Flash記憶體的耗用,並延長壽命。為了與新創廠商競爭,接下來,各一線大廠推出的傳統儲存陣列全快閃衍生版本,也跟進將壓縮與De-Dupe列為基本服務。

於是在快閃儲存應用快速擴展的驅動下,資料縮減技術也迅速在企業儲存設備中普及開來,除了早先的備份環境外,許多一線儲存陣列都提供了這類功能。時至今日,不僅任何全快閃組態的儲存陣列產品,必須內含資料縮減功能,規格上才能具備足夠的競爭力,更進一步,在這樣的風潮帶動下,許多中階甚至入門級儲存陣列也都開始提供資料縮減功能選項,現在就連Windows Server也內含了De-Dupe功能。

專用加速硬體需求浮現

然而當資料縮減技術的應用,從早期的備份等第二線儲存應用,擴展到全快閃儲存陣列這類第一線儲存設備時,也帶來儲存控制器負荷大幅增加,以致影響用戶端線上儲存服務效能的問題。

無論壓縮還是De-Dupe,都會耗用相當多的控制器資源,包括處理器使用率、記憶體空間與I/O頻寬,如De-Dupe的特徵值比對作業,便會耗用許多CPU週期,作為比對基準的Hash Table也會占用相當大的記憶體空間。

當資料縮減技術被應用於備份環境時,雖然會耗費相當大的運算資源,但由於備份屬於離線應用,資料縮減相關的運算,是由備份伺服器或備份軟體代理程式在離峰時間於背景執行,因此不會影響到用戶日常的線上儲存應用。

但應用在第一線儲存設備時,資料縮減技術所耗用的儲存控制器運算資源,勢必會對用戶端的儲存服務造成影響,尤其是Inline型的即時壓縮或De-Dupe。

顯然的,若本來只是輔助性功能的資料縮減功能,占用的處理器資源過多,嚴重衝擊到用戶端可用的儲存I/O效能,那麼就是本末倒置。所以「實用化」的資料縮減技術,必須是以不影響儲存設備正常服務為前提。

面對這個問題,一般的解決辦法有這幾種:

(1)提供啟用與調節選項:為資料縮減功能提供可開關的選項,或是提供占用資源上限的設定,由用戶視個別環境的儲存I/O負荷,自行決定是否啟用資料縮減功能,或是設定資料縮減作業可用的資源上限。

(2)採用更高規格的處理器,來抵消資料縮減技術耗用的處理器運算資源影響。

(3)引進硬體加速,將資料縮減技術運算工作,卸載給專用硬體來執行。

其中(1)的做法只是緩解問題,只適用於不那麼需要資料縮減功能的情境。對於無時無刻都需要啟用(Always On)資料縮減功能的全快閃儲存陣列等產品來說,常用的解決辦法是(2),但這也帶來控制器硬體成本大幅攀升的副作用。因此近來開始流行的做法,便是(3)引進硬體加速的路線。

運用更便利的新一代加速硬體

先前儲存廠商逐漸放棄ASIC、走向通用處理器架構的主要原因,是開發ASIC耗費太大,不合乎成本效益。不過,現在的情況已有所不同,新技術可以更低的成本,來滿足儲存廠商所需的硬體加速需求。

首先,當前儲存設備導入專用加速硬體的目的,主要是用於卸載壓縮、De-Dupe等資料縮減運算,其中壓縮演算法幾乎都是開放的通用技術,De-Dupe演算法也逐漸走向開放化與通用化,出現了可提供這方面功能的現貨晶片產品,如硬體壓縮晶片目前已經很成熟,已有許多現貨產品可選,儲存廠商無需自行研發,大幅降低了導入這類用途晶片的成本。

其次,FPGA晶片應用的逐漸普及,提供了一種成本較ASIC更低的專用加速硬體型式,如HPE的SimpliVity產品線,便採用了基於Xilinx FPGA晶片的加速卡,用於搭配其儲存軟體平臺,提供壓縮與De-Dupe功能。

導入專用加速硬體的新一代儲存產品

在儲存產品領域,資料縮減運算用途的硬體加速,並不是新事物,過去許多磁帶設備或虛擬磁帶櫃產品,便都提供了硬體壓縮晶片的選項。

而隨著即時壓縮、DeDupe等資料縮減功能在通用型儲存陣列上的普及,連帶的,為了降低這些資料縮減功能給儲存陣列控制器帶來的負擔,目前已經有部份通用型儲存陣列產品,提供了用於資料縮減技術的硬體加速功能,依照架構又可分為結合在控制器核心的專用加速晶片,或是透過附加模組提供的硬體加速卡兩大類。

 

控制器核心的專用加速晶片

最典型的代表,便是HPE 3PAR StoreServ系列儲存陣列內嵌於控制器的專屬ASIC晶片。多年來,3PAR一直堅持通用處理器+ASIC架構,通用處理器負責系統控制,專屬ASIC晶片負責執行RAID 5、RAID 6,控制器互連與快取I/O處理,以及Thin Provisioning、Zero區塊檢測等功能,在這類固定運算作業上,ASIC的專用硬體線路比起通用處理器有先天的性能優勢。

而當HPE 3PAR引進De-Dupe功能時,也為ASIC晶片增加了新的任務。HPE於2015年中發布3PAR OS 3.2.1 MU2上,開始提供搭配專屬第4代ASIC晶片的De-Dupe功能Thin Deduplication,以及基於這項功能的Thin Clones複製,可幫助卸載處理器的負擔。

這些特性都被被沿用到後來改款的HPE 3PAR StoreServ產品線上,ASIC晶片也升級到第5代。到了今年新發表的最新的Primera系列上,HPE依然堅持通用處理器+ASIC架構,以及ASIC卸載處理的機制,ASIC則升級為最新的第6代,

附加的硬體加速模組

典型的代表,是現已併入HPE的超融合系統廠商SimpliVity,在其產品上用於執行壓縮與重複資料刪除的OAC(OmniStack Accelerator Card)加速卡。多數超融合系統雖然都含有壓縮與De-Dupe功能,但都是占用CPU資源的軟體功能。而HPE SimpliVity獨樹一幟地已OAC加速卡來執行這兩項功能。

OAC是專門搭配SimpliVity OmniStack儲存平臺的硬體裝置,本身是運算卡與超級電容供電卡構成的PCIe介面卡。運算卡核心是ㄧ顆Xilinx Zynq FPGA SHA-1與壓縮引擎晶片,OmniStack平臺會把資料讀到OAC卡上,執行壓縮與De-Dupe運算。

在SimpliVity之後,一些儲存廠商也在通用型儲存陣列上引進類似的硬體加速卡或模組。

以儲存龍頭Dell EMC來說,早在多年前的Symmetrix DMX儲存陣列產品上,便提供了內含於乙太網路模組上的壓縮晶片,不過這主要是用來減少網路傳輸頻寬需求,例如幫助減少SRDF遠端複製功能的傳輸頻寬,當資料寫入儲存區時,將被解開為原始狀態。

後來當Dell EMC在2016年中發表VMAX的全快閃機型250F時,另外引進了用於提供Inline壓縮功能的硬體介面卡,可幫助縮減寫入儲存區的資料量;最新一代PowerMax則引進了新的資料縮減模組介面卡,可同時提供壓縮與De-Dupe,不僅可顯著減少寫入儲存區的資料量,同時這些資料刪減運算也幾乎不會影響控制器的效能。

類似的,富士通在其新的旗艦儲存陣列DX8900 S4上,也引進了搭配控制器的SAE儲存加速引擎(Storage Acceleration Engine),可利用SAE的硬體來卸載Inline即時壓縮作業。

一般而言,多數的硬體加速裝置,都採取搭配儲存控制器的PCIe板卡型式,但也有例外,如Hitachi Vantara的VSP系列儲存陣列,是透過專屬的FMD(Flash Module Drives)快閃儲存模組來執行硬體壓縮功能,從第2代FMD DC2便開始提供這個功能,目前已發展到最新的3.5代FMD HDE模組,除了硬體壓縮以外,還嵌入了加密功能。

總的來看,除了HPE SimpliVity以外,目前導入硬體壓縮或De-Dupe功能的儲存產品,主要以高階儲存陣列為主,這類型產品的價位,以及用戶對效能的需求,使其較能承擔引進硬體加速的成本。


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