對于華為存儲自研存儲領(lǐng)域的相關(guān)芯片，外界一直充滿好奇?？v觀業(yè)界，Avago并購LSI，Cavium并購QLogic，博通并購博科，皆因芯片的技術(shù)能力，在芯片并購的大浪潮之下，為什么華為存儲反其道而行之，自研芯片？特別是在火熱的閃存存儲領(lǐng)域，華為自研了哪些芯片？其芯片未來又是如何演進(jìn)的呢？本文將為您一一解惑。

自研芯片驅(qū)動力
全球范圍內(nèi)的企業(yè)都面臨數(shù)字洪流的影響，快速增長的數(shù)據(jù)規(guī)模、越來越高要求的業(yè)務(wù)處理性能和存儲效率成為企業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。作為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的利器，全閃存天生高性能的優(yōu)勢，為加速關(guān)鍵業(yè)務(wù)帶來新的動力。
全閃存的高速發(fā)展，促使介質(zhì)快速演進(jìn)，介質(zhì)性能由量變達(dá)到質(zhì)變（3D XPoint介質(zhì)比NAND介質(zhì)快1000倍）；介質(zhì)和應(yīng)用（AR/VR等）的發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)也提出更低時延的要求；摩爾周期延長，導(dǎo)致CPU性能提升放緩，計(jì)算能力需求缺口增大；介質(zhì)與網(wǎng)絡(luò)接口、CPU技術(shù)發(fā)展不均衡，推動存儲技術(shù)又一輪變革。
面對存儲技術(shù)變革的挑戰(zhàn)，為滿足客戶業(yè)務(wù)日益增長的訴求，華為存儲提出以All IP為基礎(chǔ)，以All Cloud和All Flash為牽引，芯片、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、應(yīng)用垂直整合的策略。通過垂直整合，實(shí)現(xiàn)資源***化利用，向客戶提供具有更強(qiáng)性能的產(chǎn)品。

自研芯片技術(shù)創(chuàng)新
2016年華為發(fā)布新一代全閃存陣列OceanStor Dorado V3，具備高達(dá)400萬IOPS時，仍保持0.5ms穩(wěn)定時延的卓越性能，能充分發(fā)揮閃存效率，滿足關(guān)鍵重載業(yè)務(wù)處理能力。華為存儲構(gòu)建了從前端協(xié)議處理芯片、IO處理加速芯片、SSD控制芯片端到端的硬件芯片平臺，為全閃存存儲帶來創(chuàng)新的加速方案，端到端傳輸性能提升200%。

一．協(xié)議處理芯片

1．SmartIO融合多協(xié)議，減少連接線纜，簡化組網(wǎng)，降低TCO
SmartIO卡使用華為存儲協(xié)議處理芯片，同時支持8G/16G FC、10G FCoE、10GE、iWARP協(xié)議，客戶可將IP 和FC數(shù)據(jù)流量整合到同一個接口芯片中。
通過支持融合組網(wǎng)，10GE支持FCoE/iSCSI/iWARP/CIFS/NFS多協(xié)議時，無需更換任何物理部件，支持與任何10GE存儲主機(jī)端口進(jìn)行連接。在10GE或8/16Gb FC組網(wǎng)下只需要更換光模塊部件，無需更換卡件，支持任意協(xié)議轉(zhuǎn)換。使布線減少1/3，接口卡物理部件減少75%，降低客戶初始投資成本。

 

2．RDMA技術(shù)，降低60%鏈路時延
RDMA（Remote Direct Memory Access）是“遠(yuǎn)程直接數(shù)據(jù)存取”，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)直接傳入計(jì)算機(jī)的存儲區(qū)，將數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)快速移動到遠(yuǎn)程系統(tǒng)存儲器中，而不對操作系統(tǒng)造成任何影響，這樣就不需要用到多少計(jì)算機(jī)的處理能力。因而能騰出總線空間和CPU周期，用于改進(jìn)應(yīng)用系統(tǒng)性能。華為存儲協(xié)議處理芯片支持硬件級RDMA，在多個存儲控制器之間通過RDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，從而降低鏈路上時延超過60%，極大地提升客戶在多并發(fā)和高負(fù)載業(yè)務(wù)下的處理效率?；?0GE，在8并發(fā)、8KB IO大小，時延測試結(jié)果如下：
 

 

3．針對WAN優(yōu)化，減少廣域網(wǎng)擁塞，提升復(fù)雜組網(wǎng)場景下遠(yuǎn)程復(fù)制帶寬
WAN優(yōu)化即廣域網(wǎng)優(yōu)化，通過各種技術(shù)手段削減廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸量、優(yōu)化廣域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)通信，提升廣域網(wǎng)帶寬利用率。WAN優(yōu)化從部署方式上分為單邊優(yōu)化和雙邊優(yōu)化：單邊優(yōu)化主要采用流控和TCP優(yōu)化技術(shù)；雙邊優(yōu)化主要采用緩存和壓縮技術(shù)。
華為存儲協(xié)議處理芯片內(nèi)嵌QoS流控和TCP擁塞算法技術(shù)，在客戶復(fù)雜組網(wǎng)場景，比如連接不同地區(qū)的局域網(wǎng)或城域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)通信的遠(yuǎn)程網(wǎng)，甚至跨接很大的物理范圍，所覆蓋的范圍從幾十公里到幾百公里連接多個城市情況下，通過實(shí)時偵測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包RTT時延、丟包率、ECN等，配合多種TCP擁塞算法，調(diào)整發(fā)送和接收策略，包括重試策略、收/發(fā)Buffer窗口、智能流控等手段，動態(tài)的針對某些鏈路傳輸擁塞進(jìn)行規(guī)避和緩解，達(dá)到比普通網(wǎng)卡跑得更快的目的。WAN加速在復(fù)雜組網(wǎng)下可提升65%~400%的廣域網(wǎng)性能。

二．IO處理加速芯片
云服務(wù)時代帶來數(shù)據(jù)超預(yù)期增長的同時，也帶來了大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，這些重復(fù)數(shù)據(jù)給企業(yè)帶來的價值十分有限，卻大量占用存儲空間、增加能耗和散熱成本，而且會降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問性能、消耗企業(yè)有限的IT預(yù)算。企業(yè)迫切希望有一種方法能夠保證原有數(shù)據(jù)的訪問性能，并在此基礎(chǔ)上減少重復(fù)數(shù)據(jù)。

業(yè)內(nèi)普遍采用重刪和壓縮技術(shù)來解決這個問題，但是重刪壓縮涉及到大量的指紋和壓縮、解壓縮算法，對CPU占用率較高，一旦開啟會顯著影響業(yè)務(wù)性能，因此傳統(tǒng)存儲都采用后重刪壓縮技術(shù)。對用戶來說，后重刪壓縮技術(shù)無法減少客戶預(yù)留存儲空間，不能減少***購置成本，同時更多的數(shù)據(jù)寫入，也影響SSD壽命。
華為IO處理加速芯片集成壓縮、解壓算法引擎，將壓縮和解壓縮等比較消耗計(jì)算資源的工作卸載到算法引擎，有效降低CPU負(fù)載。根據(jù)實(shí)際測試，在順序大IO場景下，CPU占用率減少24.6%，IOPS提升342.4%，時延縮短77.4%。

三．SSD控制芯片
華為自研SSD使用新一代自研的SSD控制芯片，采用了計(jì)算能力更強(qiáng)的Cortex-A9芯片，支持DDR4，多達(dá)18個NAND Flash通道，采用了硬件FTL（Flash Translation Layer）技術(shù)加速IO處理，實(shí)現(xiàn)200K IOPS能力，達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平。

 

華為自研SSD性能數(shù)據(jù)

1. 硬件FTL，低負(fù)載時延比業(yè)界低20%
FTL（Flash Translation Layer）是SSD盤片內(nèi)部的一個核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來保存用戶LBA到SSD盤內(nèi)物理頁面的映射關(guān)系，用戶讀寫數(shù)據(jù)時帶下來一個LBA地址，SSD盤接收到以后，從FTL表中查詢到該LBA地址所對應(yīng)的物理頁面，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。傳統(tǒng)的SSD讀取數(shù)據(jù)的時候，SSD內(nèi)部控制軟件查找到LBA地址對應(yīng)的物理地址，然后再從Flash中讀取對應(yīng)的數(shù)據(jù)返回給主機(jī)；寫入數(shù)據(jù)的時候，軟件寫入完畢后，再去更新FTL映射表。華為自研SSD使用硬件加速FTL表管理，所有讀取和寫入FTL的操作全部由硬件完成，減少軟件交互次數(shù)，減小IO的延時，在低負(fù)載場景下時延低至40μs，比業(yè)界低20%。
 

2. FlashLink技術(shù)保障全閃存陣列，實(shí)現(xiàn)平均穩(wěn)定時延0.5ms
FlashLink技術(shù)是基于華為自研SSD盤和自研存儲操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)盤控聯(lián)動配合的軟硬件垂直優(yōu)化技術(shù)，保障華為OceanStor Dorado V3全閃存存儲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平均穩(wěn)定時延0.5ms。

 

 

FlashLink技術(shù)示意圖

冷熱數(shù)據(jù)分區(qū)提供多個數(shù)據(jù)分區(qū)，自研存儲操作系統(tǒng)在訪問SSD盤片時，將數(shù)據(jù)的冷熱標(biāo)示發(fā)給SSD，SSD控制芯片根據(jù)數(shù)據(jù)冷熱標(biāo)識將冷熱數(shù)據(jù)分開存放，從而降低SSD垃圾回收的搬移數(shù)據(jù)量，寫放大降低約40%，時延降低20%。
IO優(yōu)先級調(diào)度提供多個IO優(yōu)先級調(diào)度能力，為保證穩(wěn)定時延，自研存儲操作系統(tǒng)對IO優(yōu)先級別進(jìn)行了標(biāo)識。比如，主機(jī)讀請求的優(yōu)先級高于Flash Cache刷盤請求，F(xiàn)lash Cache刷盤寫請求優(yōu)先級高于異步復(fù)制的后臺拷貝IO。IO優(yōu)先級隨著讀寫請求一起發(fā)給SSD，SSD控制芯片接收到IO時，根據(jù)IO的優(yōu)先級標(biāo)識優(yōu)先處理高優(yōu)先級IO，從而實(shí)現(xiàn)端到端的IO優(yōu)先級控制，保障優(yōu)先的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)讀寫在***順序響應(yīng)。

總結(jié)
華為存儲在自研芯片研發(fā)上持續(xù)投入和技術(shù)創(chuàng)新，幫助企業(yè)應(yīng)對數(shù)字洪流挑戰(zhàn)，進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
協(xié)議處理芯片以All IP為戰(zhàn)略，覆蓋前端網(wǎng)絡(luò)、交換網(wǎng)絡(luò)、后端網(wǎng)絡(luò)、復(fù)制/雙活網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建大規(guī)模、低時延網(wǎng)絡(luò)能力；IO處理加速芯片以SOC為方向，集成存儲和網(wǎng)絡(luò)加速功能，持續(xù)優(yōu)化計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)能力；SSD控制芯片以介質(zhì)為核心，匹配介質(zhì)演進(jìn)節(jié)奏，針對介質(zhì)特性進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮新介質(zhì)優(yōu)勢。
通過技術(shù)創(chuàng)新和軟硬件芯片垂直優(yōu)化，華為存儲致力于消除CPU、介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展不均衡導(dǎo)致的鴻溝，為客戶提供更快、更好、更省的產(chǎn)品和解決方案，與客戶一起實(shí)現(xiàn)商業(yè)成功。