二、零维护缓存保护――替代BBU的好选择

1.RAID卡上缓存的作用

 

在支持RAID 5的中高端RAID卡上，DRAM缓存是必不可少的。那么RAID卡上缓存的作用是什么呢?就是临时存放RAID逻辑盘读写数据的缓冲区。它是由I/O处理器控制的专用内存，因此比访问系统内存的效率更高。由于RAID 5/6的特点，如果一个块的数据直接写入硬盘(write through)的话，分别需要执行2～3次读和写的操作(我们以前有文章曾详细介绍过)，这样即使是性能最好的RAID卡也只有每秒几十到一百多兆的顺序写入速度，IOP的处理速度再强大也无济于事。于是就出现了write back(写回)的策略，即数据先存放到缓存，再根据时机统一写回到硬盘中。由于DRAM的速度远高于磁盘，此时I/O处理器的XOR / P+Q运算性能才得以发挥。至于缓存的容量大小则更多的与预读和随机写入性能相关。

 

Adaptec 5445Z RAID卡背面

 

　　 注：左下方那5个较大的芯片就是Micron(美光)的DDR2内存颗粒，在它们上面的TI(德州仪器)芯片类似于服务器内存条上的Registered(寄存器)，起到寻址和缓冲的辅助作用。

 

2.为什么要保护缓存数据?

 

前面我们提到为了获得较好的RAID写入性能，可以使用write back策略打开写缓存。但如果遇到意外断电的情况，比如停电或者主机电源故障，没有保护的缓存数据就会丢失。如果存放的是不重要的临时数据，如流媒体类应用中的视音频采集，影响的可能只是几秒钟长度的视频数据，不会带来多大的损失。但要是OLTP(在线交易处理)这样的企业级应用，比如数据库服务器，缓存中丢失的可能就是几百条记录。而且在系统看来这些数据已经写入到硬盘(RAID卡)了，统计上会产生不一致的问题，严重时甚至导致数据库崩溃。若是这样损失就比较严重了。

 

多年来应用在RAID卡上的BBU(电池备份单元)就是为了解决这个问题的。它实际上是一块锂电池，在系统开机的情况下处于充电状态，一旦遇到断电时就会给缓存提供刷新所需的电流，保持数据不丢失，直到下次正常开机时再把数据写回到硬盘上。BBU的形状有很多种，有的与内存做在一个模块上(如下图)，适用于可以更换内存的RAID卡;至于那些固化内存的产品，它们使用的BBU通常就是一块与RAID卡连接的电池。

 

RAID卡上的电池备份单元(BBU)

 

3.Adaptec零维护缓存保护(ZMCP)

 

Adaptec 5445Z，其中的字母“Z”代表了该系列RAID卡使用的新技术――零维护缓存保护(Zero-Maintenance Cache Protection，以下使用简称ZMCP)。它的工作原理是：在系统意外断电时，利用一组“超级电容”中储存的电量，在较短的时间内(大约1分钟)，将缓存中的数据备份到RAID卡上的大容量Flash闪存中，直到下一次开机时再把数据还原到缓存并写回到RAID硬盘中。ZMCP实现的功能和传统的BBU类似，都是在断电时保持RAID卡缓存中的数据不丢失，而它却解决了BBU长期以来令人头疼的几个问题。因为ZMCP具有如下优点：

 

 

在上表中，我们看到ZMCP相对于BBU的好处可以大致归纳为3个方面：

 

第一，锂电池存在寿命问题，每隔1～2年容量会下降50%，因此需要不断监视电池的状态和更换。首先需要设备维护人员投入一点精力，其次在更换时服务器需要停机并打开机箱盖，更换用的电池也要投入成本，另外为了预防紧急情况最好备有库存。而ZMCP完全不需要进行维护。

 

第二，BBU供电保持数据的时间最多72小时，在这期间内如果系统没有开机的话数据就会丢失;而ZMCP将数据保存在了Flash Memory中，10年都不会丢失。此外锂电池从开机到充满电需要4.5～9个小时;ZMCP使用的电容在系统启动时就能完成充电，立即进入保护状态。

 

第三，废弃的锂电池含有对环境有危害的化学物质，在环保回收方面也需要投入一定的成本。(由于我国目前对环境保护没有发达国家重视，因此这最后一条对国内用户的影响暂时不明显)

 

去掉ZMCP 模块之后的Adaptec 5445Z

 

Adaptec 5445Z去掉ZMCP 模块之后就和5445 RAID卡没多大区别了。和第一页中的照片对比可以发现，拆掉IOP348右侧带有闪存的方形PCB之后露出了正面的4个缓存芯片，加上反面的正好是9片一共512MB ECC规格。

 

 

ZMCP 模块的闪存PCB型号为ZMM-100DB，而电容单元则命名为ZMM-100CC。我们看到PCB正面布满了电容、电感等元件。

 

 

翻过来之后，上面是连接RAID卡主PCB的触点，它们除了传输数据之外还要将电容的电量供应到缓存上去。接口下方的Lattice ECP2芯片是一个高性价比的FPGA(现场可编程门阵列)器件，在这里负责连接Flash和DRAM缓存，控制数据的备份和还原操作。FPGA左侧的Micron闪存颗粒的容量为4GB，按道理说备份512MB缓存中的数据不需要这么大的空间。我们猜测这样设计的原因是：1. Flash Memory存在寿命问题(虽然在这里使用的机会并不多)，一旦出现坏块可以用剩余的容量来替代;2. 现在闪存的价格低廉，配置4GB不会增加太多成本;3. 将来的RAID卡缓存容量还会增加，到时候很可能不需要改变当前的ZMCP 模块硬件就能配合使用。

 

 

我们拆开了ZMCP 模块电容单元的黑色塑料外壳，里面有2个电解电容和一小块电路板。与常见的主板、显卡上的电容相比，2.5V的电压并不高，然而33F的容量却相当大，要知道那些一般都是以μF(微法，百万分之一F)为单位的。

 

当然，Adaptec ZMCP的一次性投入成本要高于传统的BBU，但在后期的人力和费用开销上明显更有优势。再加上它的功能更加可靠，我们认为ZMCP是一项优秀的技术，并有可能主导未来十年。

 

 

Adaptec 5445Z RAID卡附件中的Low Profile(半高)I/O挡片，适用于部分1U、2U机架式服务器。它和全高挡片上都带有散热通风孔，可见现在服务器部件在设计时对整个系统环境的考虑比较周到。另一方面，也反映出由于IOP348芯片的集成度和工作频率较高，发热量有些大。根据官方的资料，在通风量达到200LFM时Adaptec 5445Z的最高工作温度为55℃，而没有通风(即周围空气静止)时只能达到35℃。

 

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永不消逝的缓存数据：Adaptec 5445Z RAID卡评测