在主流的軟體定義儲存架構風潮下,為儲存設備引進輔助處理器,可說是一種「反動」,或是逆向的發展。

標準的軟體定義儲存架構下,是完全依靠通用處理器包辦所有運算工作。而近幾年來,部分儲存產品引進輔助處理器的目的,則是用於加速資料縮減技術或加密等進階應用的運算,藉此卸載通用處理器的負擔,進而確保儲存設備的整體效能,而這也讓儲存設備的運算架構,成為通用處理器搭配輔助處理器的混合式架構。

新時代的輔助儲存運算架構

事實上,通用處理器+輔助處理器的混合架構,在儲存領域其實已存在多年。

如同我們前面提過的,2000年代早期的儲存陣列,控制器核心大多是由通用處理器+I/O處理器構成的混合架構;除此之外,許多磁帶設備與虛擬磁帶櫃(VTL)產品,也都有搭配硬體壓縮或加密功能的選項,至於內含加密晶片的SED磁碟,也已在儲存領域應用多年。

就架構來說,近幾年來興起的這一波輔助加速硬體潮流,與10多年前流行的通用處理器+I/O處理器架構,同樣都是混合處理器架構;就目的來說,則與備份儲存裝置,或SED磁碟上的壓縮或加密晶片相同,都是透過專用硬體,來處理資料縮減或加密運算。

然而,儘管架構與用途相似,但新一代的輔助加速硬體架構,無論在應用的深度還是廣度上,都不是以前的舊架構所能比擬。

比起應用在備份裝置上的硬體壓縮或加密晶片,新一代的輔助加速硬體,是用於搭配包括全快閃儲存陣列在內的第一線儲存陣列設備,因此對於整體系統的處理速度、延遲與存取回應即時性,都有更高的要求。

而比起早期儲存陣列的I/O處理器,只是用於相對固定、單純的RAID運算或I/O處理,新一代的輔助加速硬體,承擔的工作更多樣化,必須承擔複雜許多的資料縮減運算,必要時也能透過可程式化的特性,承擔類型更廣泛的運算。

於是,為了與舊架構區隔,一些廠商特別用了資料處理器(Data Processing Unit,DPU)或儲存處理器(Storage Processing Unit,SPU)的新名號,來指稱新一代的儲存加速硬體。

儲存加速硬體的基本類型

就概念來說,輔助處理器的用途,都是用於卸載與加速特定的儲存運算作業,但是在實際應用上,則存在著各式各樣不同的晶片硬體形式,而輔助處理器部署在儲存設備間上的方式,也有不同的架構區別。

因此,我們可以依照輔助處理器的硬體形式,以及儲存設備部署輔助處理器的架構,將儲存輔助處理器區分為幾種基本類型。

儲存輔助處理器的3種硬體型式

就加速晶片的類型,新一代的儲存加速硬體能分為3種類型:

● ASIC:速度最快,但功能固定,成本也相對高昂,如HPE StoreServ與Primera系列的輔助處理器,以及NetApp AFF A400搭載的加速晶片,都是屬於ASIC類型。

● FPGA:效能不如ASIC,但具可程式化特性,功能較靈活,容易開發,成本也相對較低,如HPE的SimpliVity系列, Hitachi Vantara的VSP 5000,以及三星SmartSSD使用的加速晶片,都是屬於FPGA類型。

● 嵌入式通用處理器:透過內嵌Arm等低功耗的通用處理器,來處理加速運算功能,功能比ASIC或FPGA更彈性、廣泛,開發也更簡易,但效能不如前兩者。如SoftIron、Nebulon與Pliops等新創廠商,所發展的SPU附加儲存加速模組產品,都是基於Arm處理器。

儲存輔助處理器的3種部署方式

依照儲存設備部署加速硬體的方式,也可將當前的儲存加速硬體分為3種:

● 控制器端:內嵌於控制器核心的加速晶片,最典型的產品,便是HPE 3PAR的StoreServ與Primera系列儲存陣列中,控制器主機板上所搭載的專屬ASIC晶片。這種架構的優點是加速晶片直連核心處理器,距離近、延遲也低,缺點是開發成本高,也不易更新升級。

● 附加模組端:透過附加介面卡或模組上的加速晶片,來卸載資料縮減運算,如Dell在VMAX與PowerMax高階儲存陣列上,所提供的Compression I/O模組與Data Reduction I/O模組,還有HPE SimpliVity系列超融合系統的OAC加速卡,NetApp AFF400儲存陣列的卸載引擎卡等。

這種架構的優點,是開發成本相對較低,有第3方廠商提供的現成加速卡硬體可供選用,且便於部署與更新升級,但加速卡模組上的輔助處理器,需繞經PCIe來連結核心處理器,比起控制器端架構,將帶來較大的延遲。

● 儲存裝置端:在SSD等儲存模組上內嵌加速用晶片,如Hitachi Vantara內建壓縮與I/O加速功能的FMD儲存模組,還有不久前三星與Xilinx共同推出、內含FPGA加速晶片的SmartSSD,以及NGD Systems的運算型儲存裝置(Computational Storage Device)也屬於這個類型。類似於附加模組端架構,儲存裝置端架構同樣擁有開發成本低,易於部署的優點,亦有第3方廠商的現成元件可用,缺點則是延遲較大。

即將開始盛行的儲存輔助處理器

過去10年以來,其實一直有廠商如HPE 3PAR與Hitachi Vantara等,堅持在儲存設備中保留輔助用的ASIC晶片,一些新創廠商如SimpliVity等,也是以整合了FPGA加速晶片的硬體架構,而獨樹一幟,但這些廠商是在整個儲存界只是極少數,絕大多數廠商都是採用基於通用處理器的軟體定義儲存架構。

不過,從4、5年前起,情況開始有了轉變,為了克服資料縮減功能帶來的運算負荷,Dell EMC、Fujitsu等一線大廠,先後為新一代高階儲存陣列產品引進了硬體加速單元,後來這個潮流逐漸擴大,應用範圍延伸到中階儲存陣列、SSD儲存裝置等領域。

到了2019、2020年以後,包括Dell EMC、Fujitsu、HPE、NetApp、Hitachi Vantare等一線儲存大廠,以及三星等重量級儲存元件供應商,都已不同程度地投入了儲存加速硬體的應用,更有一批新創廠商,專門致力於儲存加速模組產品的發展。在2021年,我們將能見到這個領域更多的應用與進展。

 儲存加速硬體的3種部署方式 

應用於儲存設備的加速硬體,硬體型式有ASIC、FPGA與低功耗通用處理器等3種。部署方式則有控制器端、附加模組與儲存裝置端等3類,目前最常見的組合,是ASIC與FPGA結合附加模組的型式。

 控制器端  加速晶片內嵌於控制器主機板上

〇 優點:加速晶片直連核心處理器,延遲較低

╳ 缺點:開發成本高,不易更新升級

 附加模組端  透過附加板卡上的加速晶片,來為儲存設備部署輔助處理器

〇優點:開發成本較低,易於部署與更新加速硬體

╳缺點:延遲較大

 儲存裝置端  透過內嵌在SSD等儲存裝置上的加速晶片,來為儲存設備提供輔助處理器

〇優點:開發成本較低,易於部署與更新加速硬體

╳缺點:延遲較大

資料來源:HPE、NetApp、Samsung,iThome整理,2021年3月


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