SSD主控芯片

除了做SSD還能干點啥？

DPU600是DapuStor業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的智能存儲SoC，基于最新的12nm FinFET工藝，可作為SSD主控提供業(yè)界領(lǐng)先的性能，還集成了可計算存儲平臺，用于ASIC加速的機器學(xué)習(xí)架構(gòu)等。

上期講到得益于DPU600內(nèi)置的應(yīng)用處理器平臺，可以將DPU600作為SSD Tester的Client平臺。本期小編再說道說道，其他非傳統(tǒng)SSD功能-關(guān)于計算存儲的功能，這是研發(fā)小伙伴們努力后的干貨。

同樣地，小編需要先說道說道一下背景：

在大數(shù)據(jù)應(yīng)用的背景下，海量的數(shù)據(jù)傳輸占用了各類總線，網(wǎng)絡(luò)帶寬，與此同時，固態(tài)硬盤（SSD）本身含有的CPU的算力也越來越強。為了減少大數(shù)據(jù)量的傳輸，從而衍生出各類對存儲計算一體化（PIS-Processing In Storage）的需求，即在數(shù)據(jù)端固態(tài)硬盤內(nèi)進行計算處理，僅傳輸結(jié)果和部分數(shù)據(jù)，從而減少海量數(shù)據(jù)傳輸，減輕總線和網(wǎng)絡(luò)負載（Offloading）。一般而言，對I/O通信帶寬敏感（I/O intensive)和對數(shù)據(jù)敏感（Data-intensive)的兩類操作；而需要高效計算、對CPU計算敏感的操作則不適合Offloading到SSD中。

有人肯定想問，小編你說這么多，光有想法好像有點空泛，有沒有具體方案和應(yīng)用場景？

小編必須承認：存算一體化固態(tài)硬盤（PIS-SSD）的相關(guān)架構(gòu)和實現(xiàn)技術(shù)，目前確實相當少見被公布，畢竟在SSD領(lǐng)域，這里比較前沿的技術(shù)。在小編送出N個雞腿情況下，研發(fā)小伙伴還是給了一些材料，以便進行探討；

首先說說現(xiàn)有的技術(shù)，如圖1，存儲器端運行的是裸系統(tǒng)（BareMetal）-固件（Firmware），系統(tǒng)偏重于進行硬件支持的相關(guān)數(shù)據(jù)處理，而對應(yīng)計算相關(guān)的需求，一般僅能承接部分簡單的數(shù)據(jù)計算，這主要是引入過多的數(shù)據(jù)計算，會影響存儲功能的實時處理。一般地，當有相關(guān)計算需求（主要是邊緣計算（EdgeComputing），機器學(xué)習(xí)（MachineLearning），主機通過自定義命令的形式通知SSD系統(tǒng)進行處理，此種方式不夠靈活，且偏重于定制化，其開發(fā)應(yīng)用效率低，無法滿足更多計算應(yīng)用的需求。

圖1

說到這里，大家想到了DPU600肯定有什么東東，可以在此類應(yīng)用上發(fā)揮作用？沒錯，大普微正在探索在DPU600上實現(xiàn)一種存儲計算一體的固態(tài)硬盤。

先看一下，相對于圖1，我們的設(shè)計基于如圖2，服務(wù)器或者本地CPU成為主機（Host）系統(tǒng)，主機系統(tǒng)可以同一個系統(tǒng)，也可以是不同的主機系統(tǒng)（如本地+網(wǎng)絡(luò)）。同樣地，一般存儲管理和計算管理是同一系統(tǒng)，也可以是不同系統(tǒng)。主機系統(tǒng)不在本文談?wù)摲秶皇菫榱苏f明相關(guān)性，主要是將服務(wù)器或者本地CPU的相關(guān)計算（存算應(yīng)用程序）進一步減輕負載（Offloading）到存儲器（固態(tài)硬盤）內(nèi)，同時必須減少對固件實時處理影響。故而為了使計算應(yīng)用程序在存儲器內(nèi)能發(fā)揮更多更靈活的作用，且不影響存儲本身功能的實時性，在存儲器（固態(tài)硬盤）系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計成至少兩個獨立的軟件系統(tǒng)，一個用于存儲數(shù)據(jù)，一個用于計算應(yīng)用。

基于此這種需求，那么設(shè)計需求上：

1.由于DPU600具有雙CPU Cluster架構(gòu)，可以滿足運行雙系統(tǒng)的需求。同樣地， DPU600有2個主機接口（PCIe），滿足數(shù)據(jù)的存儲和計算兩種通路需求，即一個主機接口用于數(shù)據(jù)存儲，另一個主機接口用于數(shù)據(jù)計算。

2.系統(tǒng)架構(gòu)上，采用異構(gòu)并行系統(tǒng)，包含兩個系統(tǒng)：實時處理系統(tǒng)和應(yīng)用操作系統(tǒng)。一個CPU Cluster上運行實時處理系統(tǒng)，一般是固件（BareMetal Firmware），專門處理存儲事務(wù)；另一個CPU Cluster上運行計算應(yīng)用系統(tǒng)，一般是應(yīng)用操作系統(tǒng)，如Linux，專門處理計算應(yīng)用事務(wù)?；诟髯圆煌匦韵到y(tǒng)獨立并行運行，提高其各自對應(yīng)的事務(wù)的處理效率。

圖2

為了隔離軟件系統(tǒng)的不同特性，軟件系統(tǒng)之間，通過IPC（Inter-Process Communication）機制進行通信，完成數(shù)據(jù)和信息的交互，即通過IPC傳遞IO操作。其在CPU上軟件布局如圖3，其IPC的實現(xiàn)包括軟件FIFO，硬件 FIFO，共享內(nèi)存，硬件IPC邏輯電路等。

圖3

小編根據(jù)研發(fā)小伙伴的建議，這里把關(guān)鍵IO操作處理流程進行探討一下：

如圖4，描述了2個軟件系統(tǒng)的IO操作在主要模塊流向，其中

1.PIS應(yīng)用系統(tǒng)，除了OSKernel之外, 包括：

數(shù)據(jù)計算應(yīng)用層，用于進行和主機任務(wù)相關(guān)應(yīng)用處理。由于基于操作系統(tǒng)（OS），應(yīng)用層的開發(fā)具有非常高的通用性，可以脫離相關(guān)硬件特性，應(yīng)用包括搜索引擎的求列表交集（List Intersection），MySQL的檢索等。數(shù)據(jù)計算中間層，處理底層驅(qū)動和應(yīng)用層的銜接事務(wù)。如將數(shù)據(jù)計算任務(wù)轉(zhuǎn)化成特定的IO操作。專用驅(qū)動層，主要處理和硬件特性相關(guān)驅(qū)動處理，如IPC相關(guān)接口出來，同時負責(zé)發(fā)送或者接收特定的IO操作。

2.存儲RTOS/FW系統(tǒng)，是典型的存儲處理模塊系統(tǒng)，包括：

前端模塊（FE）負責(zé)主機通信協(xié)議棧，命令數(shù)據(jù)分發(fā)處理。數(shù)據(jù)處理模塊（DP）負責(zé)數(shù)據(jù)通路的處理，如寫（讀）緩存的管理。算法模塊（FTL）負責(zé)映射表的管理，閃存數(shù)據(jù)分布管理等。后端模塊（BE）負責(zé)閃存數(shù)據(jù)讀寫和相關(guān)閃存命令的管理。

兩個系統(tǒng)均有分層結(jié)構(gòu)，那么兩個系統(tǒng)之間傳遞的IO操作，可以在底層設(shè)定的特定數(shù)據(jù)處理單元，該數(shù)據(jù)單元通過IPC系統(tǒng)進行傳遞。數(shù)據(jù)單元包括數(shù)據(jù)，操作信息等。對應(yīng)驅(qū)動而言，派發(fā)或者讀取IO操作是把IO操作的信息寫入或者讀取到“FIFO/共享內(nèi)存/硬件IPC邏輯電路”的接口，從而較好的隔離兩個系統(tǒng)。

圖4

存儲相關(guān)典型操作流程，除了其中計算需求的IO視作另一種FE的數(shù)據(jù)需求，其他處理方式可以通用化，即總體流程和現(xiàn)有技術(shù)大同小異，不再累述。整個系統(tǒng)設(shè)計時（指主機系統(tǒng)+存算系統(tǒng)）會將計算應(yīng)用需求中分解出成適用于存算的計算應(yīng)用到存算系統(tǒng)。當有存算系統(tǒng)計算需求時，主機系統(tǒng)將發(fā)操作任務(wù)給存儲器內(nèi)的存算系統(tǒng)，其中相關(guān)任務(wù)包括但不限于數(shù)據(jù)搜索（Search），數(shù)據(jù)比較（Compare），數(shù)據(jù)標簽（Tag），數(shù)據(jù)索引（Index）。存算系統(tǒng)收到任務(wù)后，在應(yīng)用系統(tǒng)進行任務(wù)分解，轉(zhuǎn)化為IO操作給存儲系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)操作（主要是從閃存顆粒讀數(shù)據(jù)），存儲系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)操作后，將數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)計算，完成所有任務(wù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)計算后，其中由于DPU600包含硬件PIS處理能力，故而處理時硬件PIS處理通過專用驅(qū)動完成，而軟件PIS處理則在計算應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用層程序完成。應(yīng)用系統(tǒng)回報計算結(jié)果給主機系統(tǒng)，而不需要報整IO數(shù)據(jù)回給主機。

小編在這里Copy過來:一種計算應(yīng)用場景，在DPU600的加持下，下面所述的計算需求更容易Offloading到存儲器內(nèi)部的應(yīng)用系統(tǒng)。

服務(wù)器一種典型的搜索應(yīng)用，傳統(tǒng)的所有步驟步驟均是在主機計算完成。在引入存算一體化存儲器之后，可以把部分計算移入到存取器內(nèi)。如圖5，“獲得倒排序表”“計算列表操作”，存儲器內(nèi)完成后僅返回結(jié)果。我們的設(shè)計采用計算應(yīng)用獨立系統(tǒng)之后，對于哪些步驟（具有應(yīng)用可擴展性）移入存儲器內(nèi)，可以更靈活：可以把對應(yīng)步驟的程序?qū)崟r在線地移植到存儲器內(nèi)OS上，而不是通過更新固件才能遷入。比如步驟獲得元數(shù)據(jù)和計算相似度和排序，可以根據(jù)存儲器內(nèi)CPU算力，或者存取器內(nèi)系統(tǒng)負載程度，來決定來是否有存儲器內(nèi)進行承接計算。

圖5

原文標題：SSD主控芯片，除了做SSD還能干點啥？-II

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