转型中的全闪阵列

2015-07-08
当前的全闪存储阵列产品已不再一味以高I/O性能为诉求，开始讲求扩展性、数据服务更多样化的应用，朝向高性能通用存储设备发展。

以往，完全以Flash闪存储器组成的全闪存储阵列（All Flash Array），只有一个单纯任务——提供最高I/O性能的存储空间。因此全闪存储阵列供应商们的竞争焦点，也放在性能上，竞相以提供更高的IOPS性能为目标，对其他方面的需求着墨不多。

由于定位于“高I/O应用专用”，加上高昂的成本，早期的全闪存储阵列既无须讲求扩展性、支持的存取接口十分单一，数据服务功能大多也很贫乏。但现今的情况已经有了改变。观察过去1-2年来的全闪存储阵列产品发展，可以发现发生了显著变化。

随着NAND Flash存储器成本的持续降低，让更多用户能够接受Flash存储设备的价格，全闪存储阵列的应用范围也随着逐步扩大，在不同的应用情境下，I/O性能已不是唯一的目标，还需兼顾其他方面的需求，如弹性的扩展和升级能力，多样化的接口支持等等。

另一方面，凭借着高性能，全闪存储阵列逐渐替代传统高端磁盘阵列的角色，承担企业关键应用服务的存取需求。但全闪存储阵列若要走出过往“高I/O应用专用”的狭窄定位，真正担负起高端存储系统的角色，就不能只单纯地提供高I/O性能，还需提供充分的扩展能力、符合高端应用需求的高可用性、必要的数据保护与灾难备援机制，以及各式各样数据服务功能。

开始讲求高容量应用，存储密度迭创新高

过去全闪存储阵列只被用在需要高I/O性能的少数应用上，只需提供几TB容量就已绰绰有余，事实上，由于早期的Flash存储器成本十分高昂，更高容量所带来的高成本，也难以为用户接受。

不过随着半导体制程技术的持续突破，与Flash存储器产能的扩大，Flash存储器的单位成本已有了大幅度的降低，不仅让更多的用户与更多型态的应用，也用得起全闪存储阵列这样的产品，还出现了诉求大容量应用的产品，结合更高存储密度的Flash元件，连带也让全闪存储阵列的容量密度迭创新高。

在4-5年前，当时的全闪存储阵列，大多只提供单一机箱最大5TB、甚至更低的容量，现在的全闪存储阵列主流产品的容量，已经提高到单一机箱40～70TB等级，透过串接多组机箱，还能在一个机柜中组成100TB甚至500TB等级的容量。

以市场上几个领导品牌的产品为例，EMC XtremIO的一个X-Brick单元最大容量达40TB，可结合8个X-Brick单元将容量提高到320TB；Pure Storage的FA-400系列搭配扩充柜，可提供最大70TB原生容量，新的FlashArray//m系列提供的原生容量，进一步增加到136TB；IBM FlashSystem 900最大容量为57TB，搭配SVC控制器组成的FlashSystem V9000最大容量达456TB；NetApp最新推出的EF560可在2U机箱内提供38.4TB容量，搭配扩充柜可组成最大192TB容量的系统。

另外，市面上还出现了一些特别讲求高容量密度的机型，可以在3U不到的机箱内，提供高达500TB容量，容量密度甚至还超过磁盘类型存储阵列。

在2014年以前，全闪存储阵列的存储密度王者应该是Skyera（已并入WD旗下）在2012年8月发表的SkyHawk，1U高度机箱可提供44TB容量，比同时期的其他全闪阵列的存储密度高了5倍以上，即使是3年后的现在，也少有全闪阵列产品能有这样高的存储密度。

后来Skyera在2014年10月发表的新款SkyHawk，又将存储密度提高到1U/136TB的层次，是当前主流全闪阵列的5倍以上。但Skyera新款SkyHawk的容量密度纪录维持了不到半年，便为SanDisk的产品打破——SanDisk在今年3月发表的InfiniFlash，可在3U高度内提供512TB容量，平均每1U空间的容量达到170TB，1组机箱的容量就抵得上其他产品一整个机柜的容量。

更大容量、或更高存储密度的全闪存储阵列，意义不仅止于可支持更大规模的应用，更重要的是，结合实时重复数据删除与压缩技术，可用存储容量进一步提高数倍，从而将全闪存储阵列的单位容量成本，降到和传统磁盘阵列相当、甚至更低的程度。

采用更具成本效益的Flash存储器

早从3-4年前起，全闪存储阵列供应商便陆续舍弃了成本高昂的SLC Flash颗粒，开始在产品上采用便宜许多的MLC Flash芯片，到了现在，几乎已经没有使用SLC Flash的全闪存储阵列。

在MLC几乎一统全闪存储阵列存储元件的现在，为了区隔产品，有些厂商（如EMC XtremIO）会强调他们使用的是企业级的eMLC，拥有比一般MLC更佳的资料完整性与耐久性。

不过近来有越来越多全闪存储阵列供应商使用了消费级的cMLC Flash颗粒（如Pure Storage、SolidFire与HP等），认为应透过存储系统层级的存取机制，来解决Flash模块的性能与可靠性问题，而非透过选用等级更高、但成本也更高的Flash颗粒来改善Flash模块可靠性。例如由存储阵列系统、而非Flash模块来执行garbage collection，或是采用可改善写入操作的日志结构等，不仅可以回避cMLC性能与可靠性较差的问题，还能藉此降低存储介质成本。

依循这样的思路，一些全闪存储阵列供应商（如Violin）瞄准了存储密度更高、采用3D堆栈技术的新一代Flash芯片，如3D TLC、3D QLC等，这些形式的Flash芯片存储密度更高、单位容量成本也更低，虽然耐久性要比MLC更低了一个层次，但只要存储阵列存取机制有相对应的考量，TLC与QLC也足堪企业存储使用。

更加重视扩展能力

以往由于Flash存储器成本高昂，小规模的全闪存储阵列成本就已相当惊人，用户负担不起太大规模的全闪存储阵列应用，连带着全闪存储阵列也几乎不需要考虑扩展性，单一机箱就能满足用户需求。所以一些问世较早（2010年以前）的全闪存储阵列产品（如TMS与Violin），基本上都欠缺扩展能力，性能与容量都局限在一个机箱内，既不提供外接，更没有连接更多控制器的Scale-Out的扩展性。若原有存储阵列的容量不敷使用、或性能不足，便须更换使用容量更大、性能更高的存储阵列款式。

不过随着全闪阵列应用范围的扩大，扩展性已经成为这类产品的一项基本需求，才能更有效地应付不同应用情境的需求，当前主流全闪存储阵列大多提供了一定程度的扩展性，可提供从数TB到上百TB的容量组态，以及从数十万IOPS到上百万IOPS的性能构型。

就连一些本身不提供扩展能力的全闪存储阵列，厂商也推出了搭配独立存储控制器的组合方案，让这些存储阵列拥有必要的扩展能力（如IBM FlashSystem V系列、Violin Memory早先的Concerto 7000与目前的7700系列）。

如同传统磁盘阵列，全闪存储阵列的扩展性分为Scale-Up与Scale-Out两种类型，较常见的是Scale-Up型式的扩展能力，也就是为原有系统的控制器串接额外的存储柜来增加容量，或是以新控制器替换掉原有控制器来提高性能，如NetApp的EF系列、Pure Storage FlashArray家族等。

一些产品采用了Scale-Out的组态（如EMC XtremIO、Solidfire SF系列等），每组机箱都是含有控制器与Flash模块的完整单元，透过多组机箱组成集群，便能同步地扩展存储容量与I/O性能。

另一些产品则提供了Scale-Up+Scale-Out的双重扩充能力，更灵活地满足不同型式的扩展需求——当用户只单纯需要更大存储空间时，可选择外接存储柜获得更多的存储空间；当用户需要更高的I/O性能时，则可增加更多控制器节点，组成更大规模的存储阵列集群，藉此获得更高的I/O性能。Cisco UCS Invicta（前Whiptail的产品）、HP 3PAR Storeserv 7450与Kaminario的K2系列等产品，都具备了这种Scale-Up+Scale-Out双重扩充能力。

软件服务功能渐趋完善

依循扩大应用范围的发展路线，全闪存储阵列若要跨出“高I/O专用”的狭窄应用范围、承担更通用性的存取任务，提供完整的高可用性，并支持各式各样软件功能与数据服务，将是必备的要求。

高可用性是企业级存储设备必不可少的特性，硬件机构与系统设计必须尽可能避免单点故障导致服务中断：
至于企业级存储设备必备的软件功能，则大致可分为这几类：
(1)数据保护类型的数据服务，如快照、Clone、远端复制与加密等。
(2)支持特定应用平台的存取机制，如微软VSS、VMware VAAI等。
(3)数据缩减技术：重复数据删除与实时压缩。

对全闪存储阵列来说，数据缩减功能尤为重要，透过重复数据删除与压缩，可让容量有限的Flash存储器，发挥比账面容量规格高出数倍的空间效益，形同具有降低单位容量成本的效果。

由于应用面向较窄，早期的全闪存储阵列产品在软件功能上大多乏善可陈，甚至完全不考虑提供数据服务功能。然而这几年来的情况已经大为不同，全新开发的新款全闪存储阵列产品，都以提供完整数据服务为诉求；至于从传统磁盘阵列产品衍生而成的全闪存储阵列，亦有可直接沿用传统磁盘阵列软件功能的先天优势，就连过去不重视数据服务的一些专属硬件规格全闪存储阵列，也大幅强化了软件功能。

如IBM将FlashSystem与SVC控制器组合为FlashSystem V系列，以便透过SVC来提供必要的数据服务，Violin Memory亦在不久前发表的新款7000系列产品上，移植了原先必须透过外接控制器才能取得的数据服务功能。

从“高I/O专用系统”转型为“高性能通用存储系统”

随着存储容量与存储密度的持续提高、扩展性的改善，以及数据服务的逐步完善，当前的全闪存储阵列逐步脱离过往“高I/O环境专用”角色，开始承担更多样化的应用。如有SSD取代高转速硬盘的趋势，可以预期，当Flash存储器成本降低到与传统磁盘同一层级——差距不再是以十倍、数十倍计算，而只有数倍以内差距时，全闪存储阵列便有望全面取代现有的高端磁盘阵列产品，让企业存储应用进入新时代。

图片来源：iThome

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全闪存储阵列可分为3种类型：

(1)专属硬件式：从机箱、控制器、Flash存储器存储模块到系统软件都采用专属规格设计。IBM的FlashSystem、Violin Memory、与Skyera的产品属于这个类型。

(2)传统磁盘阵列SSD衍生版：传统磁盘阵列产品改用SSD作为存储媒体的衍生款式，沿用了传统磁盘阵列的机箱与控制器设计，除以SSD取代硬盘外，还一定程度调整了系统软件以配合SSD的特性。典型产品有HP 3PAR StoreServ 7450、NetApp的EF系列、HDS HUS VM All Flash、Dell的SC4020 AFA都属于这种类型。

(3)通用硬件式：使用市售标准规格的服务器硬件元件，搭配专属存储系统而成。

无论哪一种类型的产品，都能达到提供低延迟、高IOPS存取性能的目的，单就官方公布的I/O性能规格来看，专属硬件式产品的延迟似乎略有优势，至于IOPS性能则三种类型产品都能达到数十万到上百万IOPS的水平。软件功能则是以传统磁盘阵列SSD衍生版最为丰富，通用硬件式产品的软件功能亦逐渐完整。

整体而言，三种产品类型各具特性，没有一定的好坏，不过经过几年发展下来，我们发现通用硬件类型产品在全闪存储阵列市场上已居于绝对优势地位。

依据Gartner今年5月发表的2014年全球全闪存储阵列营收调查，营收额度超过5,000万美元、销售额居于前8名的厂商中，有4家的产品属于通用硬件类型（EMC、Pure Storage、SolidFire与Kaminario），合计的营收额占总份额的57.7%；2家厂商属于专属硬件类型（IBM与Violin Memory），合计占20.7%份额；另2家属于传统磁盘阵列衍生型（NetApp与HP），合计占14.9%。

也就是说，通用硬件类型产品已经居于占有近6成全闪存储阵列市场的绝对优势，而且优势还在扩大中。面向解读这结果：

⑴通用硬件型产品阵营，有身为存储界龙头、擅长销售高端产品的EMC，有助于拉高整个类型的营收额。

不过从另一方面来看，渠道、销售与服务能力，固然是高端存储设备营收的关键要素，因此业界大厂具有先天优势。不过这个理由不能解释几家新创厂商的成功，尤其是Pure Storage，身为新创厂商的Pure Storage，却取得了仅次于EMC的成绩，胜过许多一线大厂。类似的，同属新创厂商的SolidFire与Kaminario，成绩也胜过没有进入Garther排行榜的几家大厂（如Cisco与Dell）。

因此，必须加上这几个因素，才能完整解读当前的市场生态。

⑵除了性能以外，这几家新创厂商产品的可靠性与服务，也都受到用户的肯定。

⑶用户被通用硬件类型产品供应商的诉求所说服。通用硬件型全闪存储阵列是一种「软件决胜」的产品，硬件元件都是取自市售标准规格的服务器元件，控制器就是一般的x86服务器，Flash存储是标准规格的SAS或SATA SSD，存储柜也是一般的JBOD外接存储柜，没有特殊之处，完全依靠系统软件来实现各式各样的存取服务。

所以这类供应商也是优先重视软件与存取机制的设计，凭借专门针对Flash存取设计的软件架构，搭配通用规格的硬件，便能实现全闪存储阵列的性能与可靠性，还可藉由采用通用硬件而得到降低成本、利于迅速更新的优势。

尽管其他类型的供应商，对于通用硬件式全闪阵列的架构设计不以为然，但从销售结果来看，用户显然已经接受了这种做法。至于这种通用硬件式占优的局面，是长期趋势，或是一时的潮流，还有待观察。

来源：iThome