从Intel Optane SSD和DIMM谈全闪存性能优化

从P3500、P3600、P3700 MLC PCIe卡到SSD DC P4500和P4600 系列(3D NAND TLC颗粒)PCIe卡/NVMe固态盘(同时支持PCIe卡和2.5英寸的U.2两种NVMe产品形态)，Intel一直引领闪存技术的发展。随着推出一种新的3D XPoint固态存储介质，更是让其成为磁盘介质技术讨论的焦点。

3D XPoint作为一种SCM(存储级内存)，相比做内存DRAM，具备数据掉电也不丢失特性；相比传统SSD的NAND Flash，不但读写速度更快，而且还支持字节级访问(因为NAND Flash要求必须按照Page读写，按照几百个Page的Block擦除)。

Intel Optane(3DXPoint颗粒)DC P4800X支持PCIe板卡和U.2是标的SSD，基于3D XPoint 和NVMe协议。 PCIe板卡和U.2(SFF-8639连接器)这两种接口的区别在于PCIe板卡需要插在服务器PCIe插槽，不方便热插拔，数量也不会太多；U.2是标准的SSD容易实现热插拔，支持更多数量，在灵活性和扩展性上更符合企业级存储应用的要求。

Intel Optane产品系列除了P4800X PCIe卡和U.2 SSD外，还包括Optane Memory(16GB和32GB)。由于CPU的Cache、Memory和存储之间存在容量、性能和时延的差距，所以Intel把Optane SSD定义为内存和闪存NVMe SSD之间的Cache，对存储层次模型进行重新划分和定义。

Intel称Optane Memory为Apache Pass(AEP)，为高性能和灵活性而设计的革命性的SCM，称Optane NVMe SSD为Clodstream，为世界上最快、可用性和可服务性最好的SSD。

3D XPoint(包括Apache Pass DIMM和Clodstream SSD)位于DRAM和NAND之间，填补DRAM和NAND之间的性能和时延GAP。理论上，3D XPoint可以比NAND快100-1000倍，Apache Pass DIMM比DRAM高出8-10倍，其成本优势明显；与DRAM相比，其具有非易失性的另一大优势。与Flash Flash相比，由于写入方式不同，Apache Pass DIMM也比Flash NAND更耐用。

从应用场景分析，Clodstream SSD主要用在NAND Flash SSD之上，对系统日志、Memory Page和系统元数据进行加速；然而Apache Pass DIMM主要定位是用于替代DRAM，支撑持久Memory或In-Memory应用。

关于存储系统优化的话题，从SSD一出现就不断的讨论，从SSD Cahe、Storage Tier分级到SSD子Tier分层，这都是传统HDD存储常用的优化措施，下面简单描述一下SSD子Tier分层。

在Hybrid混合存储中，Dell Compellent存储提供了Data Progression分级特性，可以分3层Tier，Tier1 SSD层可以配SLC和MLC的子层，SLC配RAID10，MLC配RAID5；SLC用来写，MLC负责读。

• SLC耐擦写性好，写入速度更快，RAID10的写入性能也好，这两种优势结合起来用作写层；

• MLC耐擦写差一点，不过主要用来读也很可以了，RAID5的读性能也还好，不过容量利用率比较高，这两点结合起来用作读层，也是挺合理的。

这个做法的关键好处在于写入数据都始终写入性能最好的层，起到了一点类似写Cache的作用，而根据数据热度，主要的读取数据也基本都集中在性能最好的SLC和MLC上。这种配置方式的最大优势是，能够在释放容量的同时保持读写性能，读写是隔离开的。

那么，全闪存(NAND Flash SSD)如何优化系统性能呢，传统的HDD和SSD混合形态已经不存在了，只有寻找比NAND Flash性能和时延更好的存储介质才能对闪存系统进行性能优化，所以3D XPoint是一个不错的选择。

随着新介质3D Xpoint的出现，性能介于DRAM和SSD的ColdStream成为下一个热点，各存储厂商都在积极推出基于ColdStream的应用。华为OceanStor Dorado V3全闪存系统计划引入3D Xpoint介质ColdStream SSD盘，并通过设计高效的数据结构和算法为系统元数据加速层，进一步提升Dorado NAND Flash系统性能。

目前各大厂商也对于3D XPoint的应用处于不断探索阶段，现阶段华为主要研究如何将ColdStream与OceanStor Dorado v3结合，充分发挥新型介质的优势，帮助产品提升大容量下的性能，降低在同等容量及性能下的成本。目前针对它主要有两个应用场景。

• 第一是在Dorado v3Coldstream做元数据读缓存，对元数据访问进行加速，提升大容量下产品的性能；

• 第二是在Dorado v3中使用Coldstream做数据读缓存，降低在热点场景下的读时延。

随着SSD单盘的容量在不断变大，元数据的量也在不断增大。当元数据增加到一定程度时，DRAM已无法全缓存，采用ColdStream作为扩展缓存，将元数据缓存在ColdStream上，并且配合相应的算法，可以加速大容量下元数据访问性能，从而提升阵列在大容量下的整体性能。通过对Hash，Radix tree，B+树等各种索引数据结构和算法充分比较，选取对ColdStream上的存储内容高效的索引数据结构和算法，使得既能快速访问索引和ColdStream上内容，又占用的CPU和内存资源又少。

在实际应用中，大部分的应用都存在热点数据。在数据Cache的设计中，使用了高效的热点识别算法对数据进行识别，同时设置了多级热度管理的机制，频繁访问的热数据缓存在内存中，次热数据缓存在ColdStream盘中，使得热数据直接从内存或ColdStream访问，减少下SSD读取数据的操作，从而降低时延，最大限度的加速热点数据的访问速度。系统还设计了精准的淘汰算法，将盘中的冷数据及时进行淘汰，释放存储空间。我们还精细地设计了顺序流识别算法，对数据进行预取，从而降低读延时。

使用ColdStream作为数据读缓存，通过使用有效的热点识别、顺序流识别和精准冷数据淘汰算法，可识别95%以上的热数据。将这些热数据进行缓存之后，相比无读缓存，在热点场景下(如OLTP)的平均读时延会显著降低。据了解，目前该技术已经在华为实验室中得到全流程的验证，商业产品将在明年正式问世。

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