平頭哥發(fā)布首顆PCle5.0 SSD主控芯片鎮(zhèn)岳510！4μs超低時(shí)、誤碼率領(lǐng)先行業(yè)標(biāo)桿一個(gè)數(shù)量級(jí)！

11月1日，在2023云棲大會(huì)上，阿里巴巴平頭哥發(fā)布旗下首顆為云計(jì)算場(chǎng)景深度定制的SSD主控芯片鎮(zhèn)岳510，正式進(jìn)軍企業(yè)級(jí)SSD市場(chǎng)！

平頭哥這顆SSD芯片

從性能看，可以支持3400K IOPS的能力，在業(yè)界屬于第一梯隊(duì)。一枚鎮(zhèn)岳510的性能，相當(dāng)于1萬塊高性能HDD的性能總和。

從能效比來說，每瓦功耗可提供420K IOPS的性能，是業(yè)界領(lǐng)先水平。

從時(shí)延角度看，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的超低的時(shí)延（4μs），比業(yè)界SSD降低30%以上。

從可靠性來說，誤碼率低至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，比業(yè)內(nèi)標(biāo)桿領(lǐng)先一個(gè)數(shù)量級(jí)。

從第一款當(dāng)時(shí)全球性能最強(qiáng)的AI專用芯片含光800，到高性能RISC-V架構(gòu)處理器玄鐵910，再到首款CPU芯片倚天710，平頭哥在給自家產(chǎn)品的取名上，就偏愛用中國(guó)上古和武俠中的“神兵利劍”來命名。而這次的鎮(zhèn)岳510，更是玄鐵所鑄的高性能、高可靠、高能效及低延時(shí)的鎮(zhèn)岳利劍！

阿里盤古遇上鎮(zhèn)岳，必將所向披靡！平頭哥SSD產(chǎn)品負(fù)責(zé)人周冠鋒透露說，鎮(zhèn)岳510馬上就要進(jìn)入量產(chǎn)階段，將率先在阿里云數(shù)據(jù)中心部署。這顆取名鎮(zhèn)岳510的芯片，定位于高端大端口企業(yè)級(jí)SSD，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)庫等云上應(yīng)用場(chǎng)景。

01

首顆SSD芯片是如何煉成的

為什么這個(gè)時(shí)間點(diǎn)推出？

算力、網(wǎng)力、存力，共同構(gòu)筑了云計(jì)算的基礎(chǔ)。在云服務(wù)和AI計(jì)算需求逐漸旺盛的背景下，芯片的布局不僅關(guān)系著云廠商的成本，更是企業(yè)生態(tài)發(fā)展的重要一步。

為了滿足云上業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)正從25GE、100GE、200GE快速演進(jìn)，并將進(jìn)入400GE、800GE時(shí)代。而以SSD為代表的存力，同樣面臨著新的挑戰(zhàn)和訴求。

SSD是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心存儲(chǔ)部件，涵蓋閃存芯片（數(shù)據(jù)的最終存儲(chǔ)地）、內(nèi)存芯片（用于暫存SSD內(nèi)的眾多管理表項(xiàng)、數(shù)據(jù)緩存）以及SSD主控芯片。SSD主控芯片是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、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、數(shù)據(jù)管理、后臺(tái)任務(wù)、帶外管理等。可以說，SSD的功能、性能與可靠性均由其實(shí)現(xiàn)。

SSD每隔三四年會(huì)進(jìn)行一次產(chǎn)品迭代演進(jìn)。之前會(huì)從PCle3.0、 PCle4.0到今天，2023年是SSD從PCle4.0到PCle5.0的一個(gè)演進(jìn)節(jié)點(diǎn)。

周冠鋒表示：“因此，平頭哥就提前規(guī)劃了這顆PCle5.0的SSD芯片來應(yīng)對(duì)市場(chǎng)上的這個(gè)趨勢(shì)?！?/p>

鎮(zhèn)岳510，是一顆怎樣的芯片？

鎮(zhèn)岳510采用平頭哥自研的芯片架構(gòu)，內(nèi)置高性能的玄鐵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。FTL關(guān)鍵任務(wù)則運(yùn)行于玄鐵910CPU以保持靈活性。

整個(gè)資源架構(gòu)里面大量的采用了硬件加速模塊，可以實(shí)現(xiàn)非常高的性能，實(shí)現(xiàn)了很高的能效比。因?yàn)楠?dú)創(chuàng)設(shè)計(jì)了創(chuàng)新的前端IO硬件自動(dòng)處理機(jī)制，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），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)。

此外，鎮(zhèn)岳510內(nèi)置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。其實(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。

綠色、減碳是云數(shù)據(jù)中心的一貫追求。以更低的功耗，提供更高的性能，是SSD的重要挑戰(zhàn)。鎮(zhèn)岳510每秒可處理高達(dá)340萬筆IO，一枚鎮(zhèn)岳510的性能，相當(dāng)于1萬塊高性能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42萬筆IO訪問。以一個(gè)部署了10萬塊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。

平衡靈活性和高效能的關(guān)鍵：軟硬件協(xié)同發(fā)展

SSD主控芯片其實(shí)也是一種SOC, 它內(nèi)部既有硬件模塊，也有CPU核。事實(shí)上，SSD主控芯片并不是一種標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，每一家公司的設(shè)計(jì)方案都不太相同。業(yè)界SSD主控芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)有兩大趨勢(shì)，一種類似純SOC, 即由軟件主打的設(shè)計(jì)方案；另一類是軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。

鎮(zhèn)岳510屬于后者。

周冠鋒介紹說，鎮(zhèn)岳510自2021年上半年立項(xiàng)后，耗費(fèi)了非常長(zhǎng)的時(shí)間去反復(fù)論證芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)。芯片設(shè)計(jì)其實(shí)是一個(gè)權(quán)衡的過程，如果把過多的功能卸載，使用硬件加速來實(shí)現(xiàn)的話，那么這顆芯片的靈活性就會(huì)比較差。但如果把過多的功能交由CPU軟件來使用的話，它的靈活性同樣會(huì)比較差。如果既能通過硬件加速獲得高效的同時(shí)，仍能保留使用CPU來運(yùn)行一些關(guān)鍵的軟件任務(wù)，這樣獲得的靈活性將會(huì)大大提高。

鎮(zhèn)岳510采用的是平頭哥自研的芯片架構(gòu)。這顆芯片支持PCle5.0的主機(jī)接口，支持DDR5.0的內(nèi)存接口，內(nèi)置了高性能的RISC-V CPU。此外，整個(gè)資源架構(gòu)里面采用了比較獨(dú)特的硬件加速模塊，在應(yīng)用中進(jìn)行大量的卸載加速，能實(shí)現(xiàn)高性能與低能耗。

所以鎮(zhèn)岳510可以實(shí)現(xiàn)非常高的性能。大批量的硬件加速模塊的使用，極大的提高了產(chǎn)品的能效比，達(dá)到每瓦420k IOPS性能。除此之外，鎮(zhèn)岳510還實(shí)現(xiàn)了非常低的訪問時(shí)延。這也是因?yàn)槠筋^哥獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計(jì)了前端IO的硬件自動(dòng)處理機(jī)制。

在EETOP特別針對(duì)RISC-V的提問中，周冠鋒最后總結(jié)說到：“RISC-V這顆CPU和它的指令集都非常精簡(jiǎn)，運(yùn)行效率也很高，同時(shí)它還是開源的，所以平頭哥SSD芯片的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最終選擇了我們認(rèn)為一個(gè)最平均、最平衡的一個(gè)設(shè)計(jì)方案。”

02

鎮(zhèn)岳510，為云做了哪些定制

首先，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，但由于沒有存儲(chǔ)語義而無法達(dá)到最佳排布；SSD負(fù)責(zé)后臺(tái)任務(wù)，但無法判斷最佳啟停時(shí)機(jī)；而存儲(chǔ)系統(tǒng)有存儲(chǔ)語義卻無法排布閃存數(shù)據(jù)，有最佳時(shí)機(jī)卻無法啟停SSD后臺(tái)任務(wù)。上下的割裂給整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能與壽命帶來了額外消耗，這被稱為“SSD接口稅”。

解決辦法就是ZNS。它是一種標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口，2021年5月被收入NVMe2.0協(xié)議中，并得到了SPDK、Linux以及各設(shè)備商的支持。ZNS通過將盤內(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”。

鎮(zhèn)岳510完美實(shí)現(xiàn)了ZNS協(xié)議，通過靈活的硬件表項(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)寫功能，實(shí)現(xiàn)了小報(bào)文的多次反復(fù)下盤，簡(jiǎn)化了ZNS的應(yīng)用難度。

其次，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)種類復(fù)雜、追求靈活可配的云存儲(chǔ)系統(tǒng)來說，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。

此外，云存儲(chǔ)系統(tǒng)的完整數(shù)據(jù)鏈路，從計(jì)算端開始，通過網(wǎng)絡(luò)到存儲(chǔ)服務(wù)器，再通過內(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)語義對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)巡檢，而無需再讀出至服務(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。

周冠鋒介紹說，因?yàn)樵茝S商，尤其是阿里云擁有全棧的軟件的核心技術(shù)。所以在這種情況下，平頭哥有機(jī)會(huì)通過阿里云與軟件棧和底層芯片之間做配合，來實(shí)現(xiàn)更好的特性，更好的實(shí)現(xiàn)云上應(yīng)用性能的提升。并且，隨著云技術(shù)進(jìn)入深水區(qū)，云開始與底層芯片全方位融合聯(lián)合設(shè)計(jì)，可提供更好的用戶體驗(yàn)。

不過，鎮(zhèn)岳510的生命力肯定不僅僅在阿里云上止步。鎮(zhèn)岳510其實(shí)是為云上應(yīng)用做優(yōu)化的，它不僅僅可以適用于阿里云。因其具備的更強(qiáng)存力、更高可靠等特點(diǎn)，可通過為云定制，帶來更優(yōu)秀的存儲(chǔ)體驗(yàn)。

周冠鋒表示：“其實(shí)在外部的不同的云環(huán)境下都是適用的。只是，鎮(zhèn)岳510會(huì)首先在阿里云上上線使用！”

03

結(jié)束語

平頭哥的業(yè)務(wù)重心是在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的芯片開發(fā)。數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的芯片，一類是純計(jì)算類芯片，一類是存儲(chǔ)類芯片。此前平頭哥推出過多款性能強(qiáng)勁的芯片，如含光800 AI專用推理芯片、倚天710首款通用CPU芯片等。但它們都屬于算力芯片，而這一次平頭哥實(shí)現(xiàn)對(duì)自己的突破，設(shè)計(jì)出自己的第一顆企業(yè)級(jí)SSD芯片，補(bǔ)齊其在存儲(chǔ)領(lǐng)域的空白。相信對(duì)平頭哥來說，是一次里程碑式的突破。

憶平頭哥初創(chuàng)的決心：要為國(guó)內(nèi)的芯片行業(yè)貢獻(xiàn)出自己的一份力量。自2019年成立以來，短短幾年時(shí)間，平頭哥一次又一次為***交上力滿意的佳作，刷新業(yè)界對(duì)平頭哥的認(rèn)知，更刷新大家對(duì)中國(guó)芯片企業(yè)實(shí)力的認(rèn)知！

平頭哥已經(jīng)掌握了SSD主控芯片設(shè)計(jì)的全部技術(shù)。一顆芯片要想有更強(qiáng)的生命力，就需要對(duì)它的應(yīng)用場(chǎng)景有深入的理解，才能更好的用在用戶場(chǎng)景下。平頭哥對(duì)阿里巴巴的業(yè)務(wù)，尤其是阿里云業(yè)務(wù)有更深刻的理解。平頭哥跟阿里云聯(lián)合定制，使得這顆芯片在云上應(yīng)用的時(shí)候，可以讓整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能、能效和服務(wù)質(zhì)量更好。

對(duì)于平頭哥在SSD領(lǐng)域未來的發(fā)展，周冠鋒表示：“我們還將繼續(xù)沿著高端企業(yè)級(jí)這條路線進(jìn)行演進(jìn)，不過不會(huì)拓展到消費(fèi)級(jí)和車規(guī)工規(guī)級(jí)?！?/p>