2011 Flash記憶體快取產業現況

既有的主要Flash記憶體快取產品

相比於自動分層儲存技術領域，以Flash記憶體作為磁碟陣列快取技術領域相對沒那麼多采多姿，相關產品較少。

EMC

繼發表第2代自動分層儲存技術FAST VP之後，EMC也在2010年8月發表了另一款搭配CLARiiON CX4與Celerra、稱為FAST Cache的產品，可透過SSD的空間充作快取記憶體，加速磁碟存取。

最新版的FAST Cache是搭配VNX系列整合儲存設備，可支援使用2～42臺、總容量100GB～2.1TB的SSD，將這些空間作為輔助DRAM的額外快取記憶體，從而提高快取命中率。

FAST Cache包含政策引擎（Policy Engine）與記憶體映射地圖（Memory Map）兩項元件。FAST Cache政策引擎負責管理經過FAST Cache區域的I/O，以及與底層硬碟之間的資料搬移。當底層磁碟LUN中的特定區塊（chunk）被頻繁存取時，政策引擎會將這些區塊的資料複製到FAST Cache區域，以加速存取；當出現其他存取更頻繁的區塊時，前述區塊會被清出FAST Cache區域並複製回底層磁碟，代以存取負載更大的區塊。FAST記憶體映射地圖則以64KB的資料區塊（Chunk）粒度，追蹤與維持FAST Cache區域的資料。

啟用FAST Cache後，當前端主機發出讀取需求時，若需要的區塊位於FAST Cache區域，政策引擎會將讀取需求重新導向到FAST Cache區域；當前端主機發出寫入需求，而需寫入的區塊位於FAST Cache區域時，則先寫入DRAM的寫入快取區域，並向前端主機回應已寫入，然後寫入的資料再移出DRAM快取，轉到FAST Cache區域。

NetApp

NetApp現有的Flash記憶體快取技術產品Flash Cache，是早先效能加速模組（Performance Accelerator Module，PAM）的後繼者。

PAM與Flash Cache都是一種搭配NetApp FAS或V系列儲存系統控制器的PCIe模組介面卡，目的都是透過模組內搭載的記憶體，充當輔助WAFL緩衝快取（位於DRAM構成的控制器系統記憶體之中）的第2層快取記憶體。

不過2008年下半年推出的PAM採用的是DDR2 DRAM，受限於DRAM價格，每片只能搭載16GB容量記憶體，FAS或V系列控制器最多只能安裝總容量16～80GB的PAM（視控制器型號而定）。

2010年推出的第二代產品Flash Cache（最初命名為PAM II），則捨棄昂貴的DRAM，改用便宜許多的NAND Flash記憶體，因此容量大增，有256GB、512GB與1TB三種模組可選，視FAS／V系列控制器型號不同，可安裝總容量多達512GB～16TB的Flash Cache模組。

雖然採用的記憶體類型不同，不過Flash Cache與PAM運作原理基本上是相同的。PAM／Flash Cache與WAFL緩衝快取一樣，都是一種讀取用快取，只針對讀取I/O作快取，而不支援寫入I/O。

NetApp獨特的WAFL（Write Anywhere File Layout）檔案系統寫入機制，原本就採用了透過高速、且為非揮發性的NVRAM記憶體來加速寫入I/O，前端應用程式發出的寫入要求，會同時進入儲存設備控制器的快取與NVRAM，當NVRAM記錄了寫入I/O的log資料後，系統即可向前端回應寫入完成，讓前端應用程式繼續進行下一個I/O作業，而無須等到資料實際寫入硬碟中。接下來待滿足一定條件後，WAFL檔案系統才會依據NVRAM中的log與快取記憶體中的資料，計算出需實際寫入硬碟的區塊，然後將資料寫入硬碟。

透過前述這種利用NVRAM執行的NVLOG機制，NetApp儲存設備便不再需要其他的快取機制來協助寫入I/O作業，所以PAM／Flash Cache便只需針對讀取I/O的部分作強化即可；另一方面，這也可減少Flash記憶體的寫入次數壽命問題（對Flash Cache而言）。

當未使用PAM／FlashCache時，若系統發出讀取I/O需求，但要讀取的資料區塊卻已被清出WAFL快取緩衝區，那就只能從慢速的磁碟中讀取。

而加入PAM／ FlashCache形成雙層快取記憶體架構後，當快取資料區塊被清出WAFL快取緩衝區時，會先轉移到PAM／Flash Cache中保存（Flash Cache有一個優先排序與分類的機制，來決定是否接受這些被清出WAFL快取緩衝區的資料），因此系統可再到PAM／Flash Cache中讀取所要讀取資料區塊。

DataONTAP作業系統會在系統記憶體中，存放PAM／Flash Cache中保存的快取資料tag，用以提供查詢快取資料是否符合讀取指令的要求，若快取命中，只需一次DMA操作就能讀出資料，從而減少I/O延遲。

如同上一代的PAM，Flash Cache也有3種運作模式可供選擇——預設metadata快取、與低優先資料快取，預設模式可同時針對使用者資料與metadata作快取，metadata快取模式只針對metadata作快取，低優先資料快取模式除了對使用者資料與metadata作快取外，也會對一些通常被排除在快取之外的資料作快取。Flash Cache還可搭配使用FlexShare管理工具，來調節特定LUN的效能。

NetApp的Flash Cache還有一個特點： Flash Cache本身是一種採用PCIe匯流排的介面卡，與儲存系統控制器之間是以高速的PCIe x8匯流排連接。相較下，其他廠商的Flash記憶體快取技術都是使用安裝在磁碟櫃中、或透過磁碟介面安裝的SSD，與磁碟控制器之間是透過SAS或SATA介面連接，傳輸頻寬要比Flash Cache的PCIe小了許多。

Oracle

早在2008年，Oracle的ZFS檔案系統便擁有透過混合磁碟架構，利用系統內的SSD加速讀寫作業的功能。針對讀取與寫入I/O，ZFS分別採取不同運作機制。

針對讀取I/O，ZFS原本就擁有利用DRAM的自適應更替快取（Adaptive Replacement Cache，ARC）功能，可利用伺服器主記憶體（DRAM）中的部份區域充當快取緩衝區，保存最常與最近存取過的資料區塊。不過系統記憶體容量有限，以致限制了快取命中率。

為解決這個問題，ZFS提供了L2ARC功能，可利用主記憶體外的高速儲存裝置空間（如SSD），充當第2層的ARC快取緩衝區，透過增大可用的ARC快取緩衝區容量，來提高快取命中率。

針對寫入I/O，ZFS利用ZIL（ZFS Intend Log）機制來確保寫入作業的可靠性與效能，ZIL是預設配置在ZFS磁碟儲存池中的一個區域，對於小資料量的寫入I/O，資料會直接寫入ZIL，然後系統就會向用戶端應用程式回報寫入完成、可進行下一個I/O作業。但實際上此時資料仍位於記憶體與ZIL中，尚未真正寫入儲存池，接下來ZFS會以背景作業方式陸續將資料從記憶體寫到儲存池。對於大資料量的寫入I/O，ZIL則只保留Transaction Log資料。

當因斷電、系統崩潰導致寫入I/O失敗時，系統將可從ZIL的日誌資料中設法回復寫入作業。

由於ZFS的資料寫入流程是透過ZIL進行，因此資料寫入ZIL區域的速度將會直接影響寫入效能，一般情況下ZIL是動態配置在ZFS磁碟儲存池中，顯然的，若有其他應用程式嚴重耗用儲存池I/O效能，連帶也會影響到ZIL的運作。

為避免前述問題，ZFS提供了將ZIL存放到指定的獨立儲存裝置上的功能，因此用戶可選擇將ZIL設定存放在高速儲存裝置如SSD上，成為log專用儲存裝置，如此便能加速寫入作業（但並非總是有效）。

自動化分層儲存技術的三種類型

按運作的層級，自動分層儲存技術可區分為區塊（Block）與檔案兩種類型，前者是在區塊或Volume、LUN這類Raw磁碟裝置層級上執行，以區塊或LUN為單位運作；後者則是在檔案系統上執行，以檔案為單位運作。

而區塊類型的自動化分層儲存，又分為LUN與Sub-LUN兩種類型，前者以整個LUN或Volume為追蹤統計與資料遷移的單位，後者則以比LUN更小的區塊為追蹤統計與資料遷移單位。

一般說來，系統執行存取行為分析與資料搬移時採用越小的粒度越有利，以幾百KB到數MB大小的區塊為單位來執行搬移作業，顯然比以數GB為單位的Volume或LUN，或以可能大到數百MB的檔案為單位更為理想，不僅消耗的資源較少，也能達到更高的儲存資源配置效率。因此粒度更精細的Sub-LUN類型自動化分層儲存技術，便成為當前的主流。資料來源：iThome整理，2011年7月

既有自動分層儲存產品的分類

既有Flash記憶體快取技術概覽

快取應用中不同Flash記憶體的區別

兩種主要的NAND Flash記憶體——SLC（Single Level Cell）與MLC（Multi Level Cell）——應用在快取時，由於基本構造上的差異，帶來的效果也不同。

SLC類型的Flash記憶體寫入速度更快（存取時間與吞吐量較MLC快了2～3倍以上），壽命更長（允許的寫入／刪除循環次數更多），也更可靠，更能勝任寫入快取的角色，也能用於讀取快取。缺點是單位容量成本較高（與MLC相差2～5倍）。

相對的，MLC類型Flash記憶體的寫入速度明顯慢於SLC，可靠性亦較差，而且若某個記憶體單元（Cell）寫入失敗時，可能造成的影響也更大，甚至會影響到先前寫入的資料，所以不適合用作寫入快取。不過MLC Flash記憶體的讀取效能相當好，單位容量成本明顯較SLC更低，十分適合擔任讀取快取的角色。

相關報導請參考「SSD企業儲存應用新趨勢：自動分層儲存與快取」