透過附加的介面卡或模組,來卸載資料縮減運算,這種方式是目前資料縮減硬體加速的主流架構,上圖是其中的代表性產品:Dell EMC的壓縮與資料縮減I/O模組。

用於資料縮減功能的硬體加速,是一種資料分流的概念,由儲存控制器的處理器,與專用加速晶片構成協同架構,控制器處理器負責一般I/O處理與系統控制,加速晶片則專門負責壓縮、重複資料刪除等資料縮減功能的運算。

這種硬體加速架構,最早見於超融合系統廠商SimpliVity的OmniStack儲存平臺(已併入HPE),早在2012年時,便導入了專用於提供壓縮與重複資料刪除運算功能的OAC加速卡。後來,從2015~2016年起,HPE、Dell EMC、Hitachi、NetApp與富士通等一線儲存大廠,也陸續引進,為旗下儲存陣列產品引進專用加速硬體,以卸載壓縮與重複資料刪除運算負擔。

資料縮減加速硬體的類型

目前各一線大廠的新一代高階儲存陣列產品,多已導入了用於資料縮減運算的專用加速硬體,另外,也有部分中階產品擁有這種加速硬體配置。

控制器內嵌 vs. 附加模組

依照儲存設備部署加速硬體的型式,儲存加速硬體的架構,可以分為直接配置於控制器核心的專用加速晶片,或是透過附加模組部署的加速晶片兩大類,前者內嵌於控制器核心內,後者則是以附加板卡或模組的型式,來連接控制器核心。

兩種架構相較之下,內嵌於控制器核心的加速晶片,有利於縮短I/O路徑的延遲,但開發與升級相對困難;至於透過附加板卡或模組來部署的加速晶片,雖然處理延遲相對較大,但有著易於部署與升級的優點,所以在市場上也更為普遍。

目前採用附加板卡或模組,來部署資料縮減用加速晶片的儲存陣列產品較多,包括:Dell EMC的PowerMax與VMAX系列,Hitachi Vantara的VSP,HPE的SimpliVity系列,以及NetApp的AFF A400等。

至於採用控制器內嵌加速晶片的儲存陣列產品,相對較少了許多,目前有HPE 3PAR的StoreServ系列、Primera系列,以及富士通的DX8900 S4等。

ASIC vs. FPGA

若從加速硬體晶片形式來看,可分為ASIC與FPGA。從目前儲存設備的導入情況來看,像是HPE 3PAR的StoreServ與Primera系列,以及NetApp AFF A400的加速晶片,都屬於ASIC;而HPE的SimpliVity系列,以及Hitachi Vantara的VSP 5000使用的加速晶片,則屬於FPGA。

兩種晶片各有擅場。例如,ASIC的效能較高,但開發成本相對高昂;FPGA則有容易開發、成本較低的優點。

目前兩種架構在市場上的應用普及情況,大致平分秋色,但長期來看,FPGA最終應該會更為普遍。

典型的資料縮減加速硬體架構

我們以SimpliVity OmniStack超融合儲存平臺的OAC加速卡,來說明資料縮減加速硬體的運作方式。

OmniStack平臺的每臺節點,都在Hypervisor上部署了1臺虛擬的OVC控制器來管理I/O存取作業,並在底層實體主機則部署了1張OAC加速卡,以及SSD與硬碟,為VM提供存取服務。

VM寫入資料的程序分為3個步驟:

(1) VM向OVC控制器發出寫入I/O需求;

(2) OVC將寫入I/O導到OAC加速卡,由OAC加速卡進行即時的壓縮與重複資料刪除運算,然後將縮減後的資料,寫入底層SSD與硬碟中;

(3) OVC向VM回報寫入完成。

在OmniStack平臺架構下,所有寫入資料都會經由OAC進行縮減運算,讓底層實體主機的處理器可免於這些運算負擔,從而可以向VM提供更多運算資源,藉此兼顧了整體效能與資料縮減功能的需求。圖片來源/HPE

代表性的資料縮減加速硬體:附加加速卡與加速模組

透過附加的介面卡或模組,來卸載資料縮減運算,這種方式是目前資料縮減硬體加速的主流架構,我們這裡介紹其中較具代表性的3種。

(圖片來源/Dell EMC)

Dell EMC在2016年中發表VMAX高階儲存陣列的全快閃機型250F時,同時引進了Compression I/O模組,可為VMAX提供Inline壓縮功能;接下來,在2018年中推出的新一代高階儲存陣列PowerMax,引進了新的Data Reduction I/O模組,可同時提供壓縮與重複資料刪除功能,藉由這兩種模組,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。

(圖片來源/HPE)

已於2017年初併入HPE的SimpliVity,是資料縮減硬體加速的先驅,其OmniStack超融合平臺,擁有專用於提供壓縮與重複資料刪除運算功能的OAC加速卡,由1張運算卡與1張供電卡組成,運算卡含有ㄧ顆Xilinx Zynq FPGA SHA-1與壓縮引擎晶片,以及512MB DRAM、8GB NVRAM與32GB NAND快閃記憶體,而供電卡含有12顆超級電容。

運作時,OmniStack平臺會把資料讀取到OAC卡上,由運算卡執行壓縮與重複資料刪除運算,若系統遭遇斷電事故,則可藉由供電卡透過超級電容取得暫時性電力,讓系統將資料寫入OAC卡的快閃記憶體保存。

(圖片來源/NetApp)

NetApp新推出的全快閃儲存陣列AFF A400,是當前少數擁有資料縮減運算硬體加速功能的中階儲存產品,在控制器的PCIe插槽中,預載了1張基於ASIC的卸載引擎卡(offload engine card),這張卡含有2個用於A400雙控制器互連的100GbE埠,還能提供壓縮、解壓縮,以及重複資料刪除特徵值運算比對等硬體運算功能,可以為處理器卸載這些運算負擔。

在此之前,中階儲存陣列產品很少擁有ASIC加速硬體,而NetApp的A400締造了一個新範例,讓中階儲存產品也能透過硬體加速架構,幫助克服資料縮減運算負擔的問題。

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