不走寻常路的百度“软件定义闪存”SSD架构

百度提出“软件定义闪存”存储概念，不再遵循传统的固态硬盘设计

作者：Steve Leibson, 赛灵思战略营销与业务规划总监

固态硬盘（SSD）工程师吉姆·汉迪在一次报告中指出，中国领先的互联网搜索引擎公司——百度，创建了一个名为“软件定义闪存”（SDF）的SSD架构。该架构最大限度地利用了SSD闪存存储芯片的固有性能。通过将闪存芯片的单个通道开放给主机服务器上运行的软件，可允许服务器建立自己的数据，从而更好地安排数据访问。吉姆还指出，百度的设计方法从闪存芯片中提取了95%的原始带宽，同时将99%的闪存存储容量用于用户数据。在去年盐湖城举办的ASPLOS会议上发表了题为“SDF：用于网络存储系统的软件定义闪存”一文，文中展示了上述的研究成果。

百度的数据中心可存储数以百计的千兆数据，每天的数据处理量可达到几十个千兆字节。随着存储系统的性能要求越来越高，百度发现，硬盘和传统的SSD变得越来越不适用。SDF则是百度公司提高数据中心性能而采取的最新举措。

像SDF这样全新的基于闪存的存储架构不能使用传统的SSD控制器ASSP，因此，开发团队自主研发了SDF架构，并基于Xilinx Virtex-5和Spartan-6 FPGA建立了一个 PCIe SDF开发板，如下图所示：

百度SDF控制器架构

Virtex-5 FPGA应用了SDF的PCIe DMA和接口，在FPGA中进行芯片对芯片的桥接，并且其还是四个Spartan-6 FPGA的主控器。每个开发板有44个通道，而每个Spartan-6 FPGA可以实现其中11个独立闪存转换层（FTL）控制通道。每个闪存通道可控制两个Micron 8Gbyte MLC闪存芯片，因此每个SDF开发板的总容量有704Gbyte。

设计团队为降低开发板成本做出了很大的努力，为适用于通用的存储和不同的工作负载，在其设计中融合了与商用SSD截然不同的特性。例如，SDF主要作为很少访问的硬盘缓存和数据使用，不会在缓存中驻留太长时间，因此SDF不能进行静态平均读写。

此外，SDF硬件不包括DRAM缓存，而传统的SSD为缩短数据访问时间通常包含大量的DRAM缓存。数据驻留在DRAM缓存中时，供电故障可能会影响数据的一致性，因此缓存控制器的设计中必须包含一个电池或电容，使其可以度过断电期或允许一段时间的断电，以防止数据损失。然而，电池和电容却增加了硬件成本。在百度的存储基础设施中，服务器主机内存可以缓存最近访问的数据，因此SDF设计排除了DRAM缓存，高速缓存存储器的相关成本也由此降低。

百度的研发人员为SDF设计进行了大量的基准测试，本文进行了详细论述。总结如下：
“试验测量表明，SDF可提供95%的原始闪存带宽和99%的用户数据闪存容量。SDF增加了3倍I/O带宽，且相比百度的商用SSD系统，SDF平均降低了50%的每节次比硬件成本。”

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