SSD 从形式到实质之改变

SSD 从形式到实质之改变

 作者：廖恒

         SSD的物理尺寸之混战正在进行当中。数据中心的硬件架构师因为要规划下一代服务器的机械设计，还要制定JBOD的设计规范，想必面临不少困惑。要是选择的机械尺寸到了部署时成了非主流，势必造成采购困难、成本增高等一系列问题。搞不好要重新订制服务器JBOD，代价可谓不小，不得不多费些心思，擦亮眼睛，看看未来。

        软件架构师是否可以指指楼下的硬件采购部门——那是他们的事，就此高枕无忧呢？

        答案是：如果你选择做蚂蚁般的一维动物，那就可以继续春眠不觉，如果想进化成人一样的二维（2.5维）动物，那就必须要闻鸡起舞了。额外再多些努力，说不定还有机会如飞鸟般在三维空间中翱翔一番。

         据法布尔《昆虫记》所述，蚂蚁虽有六条腿，在二维的平面上完全有自由行动的能力，但是为了找到回家的路，他们除了在觅食时会自由行动，在搬运食物回家或集体行动时，都是严格地遵照留在地面上的气味指引，循着一条固定的路线在行走。哪怕路线被风吹来的树叶或是被水流所阻隔，它们也不惜以生命为代价，一定要回到既定的路线上去。

        这就是程序员所熟悉的文件外存的访问方式。在内存中自由觅食时，程序之数据结构可以在内存中任意摆放、自由访问，但一旦要搬东西回家（数据要存放到安全可靠的不易失外存时），一切都要串行化（Serialization）地存放到一维的文件中去。计算机的存储从纸带、磁芯、磁鼓、软盘、硬盘进化到SSD，其变化程度可与单细胞浮游生物到人类的变化相媲美。但是外存的访问模式，仍保留了纸带时代的相同概念。因此多年前已有先贤提出了Memory wall并推广到I/O Wall的概念和定律。

                Memory Wall——当计算速度提升到极限时，程序的执行时间由内存访问的时间所决定（即内存的速度决定了程序执行的时间）。

                I/O Wall——当内存访问速度也提升到极限时，程序的执行时间由程序产生的I/O访问时间所决定（即I/O速度决定了计算机的速度）。

        Memory Wall和I/O Wall似乎是一道更高过另一道的铜墙铁壁。既已成了定律，是否就不可超越呢？ Are we doomed by these walls?

        幸运的是早有智慧的前人发明了Cache的概念。Cache成了翻越这些高墙之楼梯，其出发点在于：

       利用数据和程序在时间上（temporal）和空间上（Spatial）的局部相关性（Locality）来减少到内存和外存的访问。这已是CPU构架的核心概念，此处不复赘述。

        但数据要存放到文件中去，已是软件工程师的思维定式。这个定式，在SSD的时代可能要被打破了。

           回到开篇所讲的SSD机械尺寸的混战，我们来看看form factor到底意味着什么？

      （1）     安装的方式——是否可热插拔？能否在某种某种机箱内容纳？

      （2）     存储容量——超大的盘片能放置更多NAND芯片。

      （3）     性能——NAND通道数越多（越大的盘），可并行操作的NAND芯片也越多，因此IOPS、带宽也越高。

      （4）     连接的总线和协议，还有总线的延迟、带宽特性也不同。

      （5）     可扩展性——外部总线能支持的传输距离长，具有可以扩展到多个SSD连接的能力，而DDR内存总线是基本不可扩展的，传输布线距离短，必须紧挨在CPU的边上。

      （6）     编程模式——是以特殊的内存方式来访问，还是以外存的I/O块设备方式来访问？

      目前，SSD Form Factor层面的主要竞争格式：

        a)     PCIe Card（Standard/custom）

        b)     2.5 Inch（也许是3.5 Inch）

        c)      M.2

        d)     Ultra-DIMM or NV-DIMM?

      而协议则有

        I）              SATA

        II）            SAS

        III）          NVMe

        IV）         DDR ?

       前面所述的a)->b)->c)以及I)->II)->III)基本上只是个量变的过程，本质上还是个块设备。NVMe协议在协议栈上比传统的SCSI等协议栈作了优化，故而性能可得到提升，延迟也有大的精减。

       但是以DDR方式访问的DIMM格式的SSD（当然也有在PCIe上实现的类似方案）就有了质的变化。因为程序或OS对其访问的方式可以不再是一种块设备，而可以转变为一种“有点特殊”的内存，而这些内存的“特殊性”体现在可以通过对OS虚存管理的修改来实现对应用的相对透明。当这件事发生之后，I/OWall就不再明显，即应用程序不再需要把数据进行串行化，再写入到文件中去，数据结构可以自由摆放在特殊的内存空间内自由访问，而且不会担心掉电造成的丢失。

         这可以说实现了从蚂蚁到人的一维到二维进化，但如何实现象鸟儿一样在三维空间中飞起来呢？

         我们来看看，在Scale-out的cluster中，即便对单机外存之访问变成了“特殊不易失内存”的方式，但结点之间要交换共享的数据结构，还是不能负除串行化之苦（数据结构要串行化后打包成消息才能通过网络接口传送到另一结点），就好像人要出差到另一个城市要买机票、过安检然后才能乘坐飞机一样的不便利。

         设想一下，如果上述以内存方式访问的SSD，经过解耦合（Disaggregation），再能在机群内的多结点之间直接共享数据结构的直接访问，那就不再有网络串行化之开销。这样程序员就能像鸟儿一样自由地翱翔。