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由浅入深从固态存储趋势看市场热点

发布时间:2020-01-14 20:55:44 阅读: 来源:台笔厂家

由于突破了传统机械硬盘的悬臂寻道、静默等待等性能瓶颈,固态存储的时延性得以极大提升。今天,一块2.5英寸的SSD,依靠很小的响应时延,就可以让随机读写IOPS (Input/Output Per Second)达到60~100 K。

正是因为这些特性,固态硬盘市场在最近几年表现迅猛。2010年全球SSD市场营收强劲增长98%,达到了24亿美元;NAND Flash市场营收增长43%,达到了200亿美元。2011年的表现同样值得期待。

什么是固态存储

根据SNIA(Storage Networking Industry Association)的定义,固态存储被定义为基于硅晶芯片,而不是旋转磁碟或者流式磁带的数据存储。SNIA从数据存储介质的角度对固态存储进行了定义。遵循该定义,当前固态存储主要分两类:基于RAM的固态存储、基于Flash的固态存储。

基于RAM的固态存储在性能上具有较大优势,IO响应时延一般在10μs~20μs左右,但是容量不易做大。目前市场上基于RAM的固态存储,大多用于一些对存储性能有较高要求,但对容量要求不高的场景,例如银行事务、证券交易等。

基于Flash的固态存储,IO响应时延一般在100μs~1ms左右。但随着Flash颗粒技术的不断成熟和CACHE等技术的运用,时延指标也有不断下降的趋势。再加上Flash颗粒价格的不断下降以及容量的不断扩大,基于Flash的固态存储正逐步成为当前阶段的固态存储主流技术。

在适用范围上,业界的一个普遍看法是:容量需求小于128GB的场景,RAM固态存储的性价比更高;容量需求介于128GB和4TB之间,RAM固态存储和Flash固态存储的性价比相当,应该更多地考虑一些其他的因素;容量需求大于4TB,Flash固态存储的性价比更高。

机架式固态存储

一般而言,基于RAM的固态存储,因为受到掉电保护等限制,其外观形态基本上都是机架式设备。而基于Flash的固态存储则摆脱了传统机械硬盘的许多物理限制,可以在外观形态上进行相对自由的发挥。例如2.5英寸SSD硬盘、PCIe闪存卡、microSD卡、U盘、PCMCIA卡、机架式设备等(如图1所示)。

业界按照不同的外观形态以及所管理的Flash颗粒数量,对各式各样的固态存储进行了如图2的分类。所谓的“小架构”和“大架构”,属于模糊定义。一般而言,设备上的Flash颗粒数在几个到几十个的时候,我们将其归为小架构。当设备上的Flash颗粒数成百上千时,则可以归为大架构。

其中,机架式固态存储设备是很有意思的一个分支。这类设备的外观大小,从1U到数U不等,有点像传统硬盘阵列,但是其内部实现机制,却与传统硬盘阵列相去甚远。根据内部实现方式的不同,又可以将机架式固态存储设备按照图3的方式进行分类。

封闭架构的机架式固态存储

所谓封闭,指的是IO处理流程中的关键器件或软件全部由开发商自行研发,这样可以充分消除IO处理流程中的各种交互协议的开销,充分降低IO响应时延。

这一类固态存储设备,除了对外提供的主机接口需要遵循相应的物理规范和通信协议外,其内部各种硬件接口均尽量采用低时延接口,如PCIe、FB-DIMM等。而且,其内部通信协议均为私有协议,以便减小交互所产生的时延开销。基于这样的设计,此类设备的IO响应时延一般在50μs~300μs左右。

我们可以将封闭架构的机架式固态存储设备,看作是一款大号的SSD硬盘。Violin的V3200、TMS的RamSan-630等,均属此类。

开放架构的机架式固态存储

所谓开放,指的是基于标准接口的SSD来构建的固态存储设备。整个设备均针对SSD进行设计和开发,充分消除了IO路径上的各种时延瓶颈。例如保证IO路径上的主干带宽和IOPS处理能力与全部SSD总处理能力相匹配,软件确保对IO的处理不引入过大的时延等。经过这些设计,能够将接入的所有SSD硬盘的性能全部发挥出来,实现系统的性能与SSD硬盘数量呈现近似于线性的增长。

由于此类设备内部与后端SSD之间是通过标准通信协议(如SATA、SAS等)进行交互的,所以其IO响应时延比封闭架构略大一些,一般在200μs~1ms左右。华为赛门铁克的Dorado2100、Nimbus的S-class等,均属此类。

插满SSD的传统阵列

插满SSD的传统阵列,在外形上与开放架构十分相似,以至于很多人无法正确区分这两者。

这一类设备就是在专门为传统机械硬盘所设计的阵列中插入SSD,以获取一定程度上的性能提升。此类阵列是针对传统机械硬盘所设计的,所以在IO路径上的各种软件处理流程、芯片处理能力和引入时延等,均无法完全发挥SSD的优势。例如,为了将一块SATA接口的SSD插入到一个后端为FC环路的传统阵列中,需要使用FC/SATA转换芯片,该芯片所引入的时延为数十至数百微秒左右。这个时延对于机械硬盘数个毫秒的时延来说,是微不足道的,但它却与SSD的响应时延相当,会对系统性能产生极大影响。有能力提供传统硬盘阵列的厂商,均能够提供此类产品。

机架式固态存储发展趋势分析

当前的三种机架式固态存储设备,会在较长时间内共存并且竞争:

一、插满SSD的传统阵列

对于那些希望对存量设备进行平滑加速的客户风险相对较小,所以具有一定吸引力。这种方式对性能的提升有限,导致性价比极低。随着人们对固态存储的认识的加深,这种形态的产品会逐步被抛弃。

二、封闭架构

由于充分消除了系统中的各种性能瓶颈,所以性能一直处于领先地位。相比传统硬盘阵列,这种固态存储的性能提升幅度大,大多数服务器、主机应用尚未完全做好准备,可能导致存储性能过剩。目前,封闭架构的机架式固态存储产品,内部集成度较高,大都无法做到在线更换部件,且产品稳定性有待更长时间的检验。

三、开放架构

开放架构继承了存储厂商在传统阵列的积累,同时又充分利用了标准件,相比封闭架构而言,相对成熟和稳定,更有利于市场平滑向固态存储过渡。Dorado2100,就是在华为赛门铁克成熟的自研硬件平台和SSD的基础上,充分消除IO路径上的时延瓶颈,进而推出的一款开放架构的机架式固态存储设备。一定程度的前后兼容、避免全新供应商的评估引入、渐进式的替换策略等等,均是客户无法规避的考虑要素,甚至这些因素的权重已高于性能指标。受限于访问SSD的协议开销,开放架构在性能上尚无法与封闭架构看齐。

插满SSD的传统阵列,由于供货门槛低,且能部分地解决客户的问题,也被一些厂商称为是能提供机架式固态存储设备。但随着客户对固态存储认识的加深,这种产品最终只能变成对存量传统阵列的一种补充。机架式固态存储市场的竞争者,将剩下封闭架构和开放架构。封闭架构和开放架构的竞争,还会持续2~3年,直到某些产品能很好地融合二者的优势,在兼容性、稳定性、性能指标、功能特性、价格等多方面同时满足客户为止,届时机架式固态存储将迎来新一轮飞跃。

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