11月1日，在2023云棲大會(huì)上，阿里巴巴平頭哥發(fā)布旗下首顆SSD主控芯片鎮(zhèn)岳510。

該芯片為云計(jì)算場(chǎng)景深度定制，實(shí)現(xiàn)4μs超低時(shí)延，比業(yè)界主流降低30%以上 ，誤碼率低至10^-18，比業(yè)內(nèi)標(biāo)桿領(lǐng)先一個(gè)數(shù)量級(jí)。

鎮(zhèn)岳510將率先在阿里云數(shù)據(jù)中心部署，可應(yīng)用于AI、在線分析、在線交易、大數(shù)據(jù)分析、高性能數(shù)據(jù)庫(kù)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

為何要自研SSD主控芯片？云計(jì)算對(duì)存力提出了更高的需求

云計(jì)算符合馮諾依曼架構(gòu)：數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)設(shè)備中取出，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到計(jì)算單元，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至存儲(chǔ)設(shè)備中保存。

算力、網(wǎng)力、存力，共同構(gòu)筑了云計(jì)算的基礎(chǔ)。

為了滿足云上業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，以CPU為代表的通用算力，以GPU、NPU為代表的的AI算力，以指數(shù)級(jí)迅速增加；而網(wǎng)絡(luò)也從25GE、100GE、200GE快速演進(jìn)，并將進(jìn)入400GE、800GE時(shí)代。

以SSD為代表的存力，同樣面臨了新的挑戰(zhàn)和訴求。

●極致的性能。

SSD是計(jì)算數(shù)據(jù)的來(lái)源與結(jié)果數(shù)據(jù)的目的地，其讀寫(xiě)吞吐速率的高低，將制約整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的性能。

●復(fù)雜負(fù)載下的穩(wěn)定時(shí)延。

時(shí)延是SSD從收到命令到返回命令響應(yīng)的耗時(shí)。云上為了提高并發(fā)能力，業(yè)務(wù)請(qǐng)求通常會(huì)被拆分為多筆子請(qǐng)求分散到眾多SSD并發(fā)執(zhí)行。任何一塊SSD的時(shí)延發(fā)生抖動(dòng)，都會(huì)造成整個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的延遲。

●更優(yōu)的TCO。

綠色、減碳是云數(shù)據(jù)中心的一貫追求。如何提升能效，以更低的功耗，提供更高的性能，是SSD的重要挑戰(zhàn)。

●更高的存儲(chǔ)密度。

提高數(shù)據(jù)中心資源利用率是云的核心訴求。提高SSD的存儲(chǔ)密度，在單塊SSD內(nèi)提供更大的存儲(chǔ)容量，可以有效減少所需部署的服務(wù)器數(shù)量、交換機(jī)/路由器數(shù)量。

隨著云技術(shù)進(jìn)入深水區(qū)，云開(kāi)始與底層芯片全方位融合聯(lián)合設(shè)計(jì)，提供更好的用戶體驗(yàn)。

第一：消除SSD接口稅。通過(guò)存儲(chǔ)軟件與NAND特性完美契合，達(dá)到數(shù)據(jù)排布的最優(yōu)化，后臺(tái)操作的最小化。

第二：全鏈路QoS優(yōu)化。延遲敏感型與帶寬敏感型IO實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化區(qū)分處理，提升延遲敏感型IO的SLA。

第三：智能卸載。可靠性計(jì)算卸載至SSD，實(shí)現(xiàn)全路徑存儲(chǔ)語(yǔ)義校驗(yàn)，同時(shí)也減輕了服務(wù)器主機(jī)算力開(kāi)銷(xiāo)。

隨著這一系列云計(jì)算對(duì)存力提出的新的需求的出現(xiàn)，也使得對(duì)于SSD主控芯片的能力的要求也越來(lái)越高。基于此，平頭哥選擇自研了更符合“云計(jì)算需求”的SSD主控芯片鎮(zhèn)岳510。

鎮(zhèn)岳510發(fā)布：內(nèi)置玄鐵910 RISC-V多核CPU，誤碼率領(lǐng)先業(yè)界標(biāo)桿一個(gè)數(shù)量級(jí)

和CPU一樣，SSD是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，主控芯片作為SSD的「大腦」，負(fù)責(zé)主機(jī)交互、協(xié)議解析與執(zhí)行、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、數(shù)據(jù)管理等核心任務(wù)，不僅直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，還保障了業(yè)務(wù)的安全與穩(wěn)定。

鎮(zhèn)岳510則是平頭哥旗下第一顆SSD主控芯片。

鎮(zhèn)岳510支持先進(jìn)的PCIe 5.0接口，支持DDR 5.0技術(shù)，內(nèi)置玄鐵910 RISC-V多核CPU，采用平頭哥自研緊耦合芯片架構(gòu)，對(duì)SSD任務(wù)進(jìn)行高度抽象，可固化任務(wù)硬化為加速算子以提升性能，F(xiàn)TL關(guān)鍵任務(wù)則運(yùn)行于玄鐵910CPU以保持靈活性。

鎮(zhèn)岳510每秒可處理高達(dá)340萬(wàn)筆IO，一枚鎮(zhèn)岳510的性能，相當(dāng)于1萬(wàn)塊高性能HDD的性能總和。

此外鎮(zhèn)岳510擁有極高的能效比，每瓦功耗可提供42萬(wàn)筆IO訪問(wèn)

。以一個(gè)部署了10萬(wàn)塊SSD的數(shù)據(jù)中心為例，相比目前主流的PCIe 4.0SSD，鎮(zhèn)岳510在相同的性能下，僅主控芯片即每年節(jié)省260萬(wàn)度電.

按照一度電排放0.785千克二氧化碳計(jì)算，每年可減少二氧化碳排放2千噸。

鎮(zhèn)岳510內(nèi)置創(chuàng)新的IO自動(dòng)化處理機(jī)制，前端IO解析與處理，由專用硬件模塊自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的超低的時(shí)延（4μs），可以帶給應(yīng)用極佳的體驗(yàn)，比業(yè)界SSD降低30%以上。

不僅如此，鎮(zhèn)岳510芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)了IO/SYS/GC的全鏈路隔離，極大的降低這些任務(wù)之間的相互干擾，提供了既低又穩(wěn)定的時(shí)延表現(xiàn)。

鎮(zhèn)岳510內(nèi)置了平頭哥自研的高性能LDPC糾錯(cuò)算法，編碼效率逼近香農(nóng)極限，同時(shí)ErrorFlow相比業(yè)內(nèi)SSD更優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)；

同時(shí)借助平頭哥自研閃存電壓預(yù)測(cè)算法，可以在各種閃存的不同工況、壽命、溫度等條件下，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)閃存電壓漂移，進(jìn)一步降低LDPC解碼器的輸入誤碼率。

它實(shí)現(xiàn)了低至10^-18的UBER，相當(dāng)于每讀取百億億筆數(shù)據(jù)，才可能有一筆數(shù)據(jù)糾錯(cuò)失敗。

鎮(zhèn)岳510做了哪些定制？

鎮(zhèn)岳510不僅具備更強(qiáng)存力、更高可靠等特點(diǎn)，還通過(guò)為云定制，帶來(lái)更優(yōu)秀的存儲(chǔ)體驗(yàn)。

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)方案中，SSD與存儲(chǔ)系統(tǒng)分離設(shè)計(jì)。

SSD負(fù)責(zé)底層閃存數(shù)據(jù)排布，但無(wú)存儲(chǔ)語(yǔ)義而無(wú)法達(dá)到最佳排布；SSD負(fù)責(zé)后臺(tái)任務(wù)，但無(wú)法判斷最佳啟停時(shí)機(jī)；而存儲(chǔ)系統(tǒng)有存儲(chǔ)語(yǔ)義卻無(wú)法排布閃存數(shù)據(jù)，有最佳時(shí)機(jī)卻無(wú)法啟停SSD后臺(tái)任務(wù)。

上下的割裂給整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能與壽命帶來(lái)了額外消耗，這被稱為“SSD接口稅”。

因此ZNS協(xié)議被發(fā)展出來(lái)，通過(guò)將盤(pán)內(nèi)FTL層上移至存儲(chǔ)系統(tǒng)，達(dá)到了存儲(chǔ)系統(tǒng)與閃存特性的完美匹配，消減了“SSD接口稅”。

2021年5月，ZNS協(xié)議被收入NVMe規(guī)范2.0版本中，并得到了SPDK、Linux以及各設(shè)備商的支持。

鎮(zhèn)岳510完美實(shí)現(xiàn)了ZNS協(xié)議，通過(guò)靈活的硬件表項(xiàng)加速保持了高IO性能，而Zone分區(qū)狀態(tài)則交由玄鐵910CPU維護(hù)，保留了對(duì)新協(xié)議的靈活性。

此外，鎮(zhèn)岳510定制了Last Sector 隨機(jī)寫(xiě)功能，實(shí)現(xiàn)了小報(bào)文的多次反復(fù)下盤(pán)，簡(jiǎn)化了ZNS的應(yīng)用難度。

數(shù)據(jù)請(qǐng)求可以分為帶寬敏感型與時(shí)延敏感型，不同的請(qǐng)求應(yīng)予以不同的處理策略，才能達(dá)到業(yè)務(wù)最佳SLA。

NVMe規(guī)范中制定了以隊(duì)列為粒度的標(biāo)準(zhǔn)SQ調(diào)度機(jī)制，但其靈活性較差，對(duì)于業(yè)務(wù)種類(lèi)復(fù)雜、追求靈活可配的云存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它并不是最佳選擇。

鎮(zhèn)岳510在支持NVMe標(biāo)準(zhǔn)的SQ調(diào)度機(jī)制的同時(shí)，額外定制了基于IO粒度的優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制，允許系統(tǒng)按IO打標(biāo)，優(yōu)先級(jí)種類(lèi)多達(dá)8級(jí)，結(jié)合云存儲(chǔ)系統(tǒng)，能夠更好的保障延遲敏感型業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

云存儲(chǔ)系統(tǒng)的完整數(shù)據(jù)鏈路 ，從計(jì)算端開(kāi)始，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)到存儲(chǔ)服務(wù)器，再通過(guò)內(nèi)部互聯(lián)到達(dá)SSD。

為了保障數(shù)據(jù)的高可靠，全鏈路應(yīng)采用語(yǔ)義一致的完整性校驗(yàn)。

但NVMe規(guī)范只規(guī)定了以Sector為單位按照T10 DIF/DIX的校驗(yàn)機(jī)制，與存儲(chǔ)系統(tǒng)的語(yǔ)義并不相同，因此SSD的校驗(yàn)與存儲(chǔ)系統(tǒng)的校驗(yàn)產(chǎn)生了差異。

鎮(zhèn)岳510以IO為粒度，遵循上層存儲(chǔ)語(yǔ)義進(jìn)行校驗(yàn)，補(bǔ)齊了整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路校驗(yàn)的最后一環(huán)。

不僅如此，鎮(zhèn)岳510還支持以存儲(chǔ)語(yǔ)義對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)巡檢，而無(wú)需再讀出至服務(wù)器，節(jié)省了寶貴的PCIe帶寬、服務(wù)器內(nèi)存帶寬與CPU算力。

據(jù)介紹，鎮(zhèn)岳510將率先在阿里云數(shù)據(jù)中心部署，可應(yīng)用于AI、在線分析、在線交易、大數(shù)據(jù)分析、高性能數(shù)據(jù)庫(kù)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

得益于基于鎮(zhèn)岳510的SSD與阿里云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)底座——飛天盤(pán)古平臺(tái)的軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)，提升了數(shù)據(jù)可靠性、SLA以及存儲(chǔ)效能，構(gòu)建了從芯片到系統(tǒng)的全棧自研分布式存儲(chǔ)。

此外，鎮(zhèn)岳510提供的ZNS能力與飛天盤(pán)古存儲(chǔ)引擎協(xié)同，增強(qiáng)了云存儲(chǔ)的靈活性，推進(jìn)了數(shù)據(jù)中心往軟件定義閃存方向發(fā)展。

小結(jié)：

過(guò)去5年，平頭哥已推出多款算力芯片，其云原生處理器芯片倚天710已在阿里云數(shù)據(jù)中心規(guī)模化部署，算力性價(jià)比提升超30%，已服務(wù)數(shù)千家電商、短視頻、在線教育等領(lǐng)域客戶。

此次鎮(zhèn)岳510的問(wèn)世，意味著平頭哥的芯片產(chǎn)品家族從算力擴(kuò)展到了存力領(lǐng)域，進(jìn)一步為云計(jì)算行業(yè)提供高性價(jià)比的技術(shù)底座。

平頭哥產(chǎn)品總監(jiān)周冠鋒也表示：“算力、網(wǎng)力、存力共同構(gòu)筑了云計(jì)算的基礎(chǔ)，算力和網(wǎng)絡(luò)在過(guò)去幾年已實(shí)現(xiàn)快速演進(jìn)，以SSD為代表的存儲(chǔ)技術(shù)也必須與云計(jì)算軟件系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)，為企業(yè)用戶帶來(lái)更優(yōu)秀的存儲(chǔ)體驗(yàn)。”