根據2013年針對超大規模數據中心的機架架構、業界標準的服務器架構以及企業級存儲系統架構進行的一項廣泛調查，我們發現，有兩個主要的原因導致了I/O架構的變革。

　　首先，SSD的廣泛運用為I/O技術帶來巨大的躍進。先看一下SSD運用的廣泛程度。表1為IDC全球固態存儲2013-2017預測及分析報告：

表1 SSD出貨量預測

　　表中可見，企業級SSD的出貨量將在2017年超過一千三百萬。在讀密集型應用中，大量PC級SSD(非企業級)也將運用到服務器應用中，尤其在超大規模數據中心的服務器中運用更為廣泛。這意味著平均每臺服務器將會帶有>1.5個SSD，而常見的數據中心服務器中SSD的數量更為可觀。因此，SSD的I/O技術將會帶來廣泛的影響，不僅是在高性能服務器領域，同時也影響到主流的服務器。

　　讓我們來快速回顧一下2013年高端HDD及SSD的性能指標。從表2可以看出，SSD能提供明顯的性能提升。

表2 SSD與HDD性能對比

　　性能上的巨大改善給現有的I/O架構帶來了前所未有的挑戰，具體如下：

　　· IOPS挑戰——只需1～2個SSD就能讓行業領先的SASIO控制器的最大IOPS性能達到徹底飽和。

　　· 吞吐量的挑戰——只需1～2個SSD就能讓行業領先的SAS IOC的最大吞吐量性能達到徹底飽 和。只需1個SSD就能讓標準SAS擴展的JBOD接口(4條SAS線纜)達到徹底飽和。

　　· 延遲的挑戰——當前的SASI/O架構并非針對延遲而優化，可能遠遠超出訪問時間(10sµs)。主要的系統延遲形態為：

　　主機軟件堆棧延遲(10s µs)——堆棧的優化目標是將尋道所用的IOPS降至最低。

　　IOC延遲(10s µs)——IOC需要對主機請求進行語法分析，并將其轉化為SAS I/O，通常需要一個嵌入的CPU來運行固件，以處理I/O請求并作出響應。

　　SAS網格仲裁延遲(1～100s µs)——由于SAS協議中非搶占性連接主導的特性，網格仲裁延遲的變化范圍十分寬廣。即便是最高優先級的I/O請求也需要等 待正在進行中的連接完成數據傳輸并關閉，然后用于此高優先級IO請求的新連接才能建立起來。連接的持續時間則取決于IO的數據大小。

　　扇出與設備共享帶來的挑戰——由于SSD與HDD相比，帶來了巨大的性能改善，對許多應用(如數據庫應用)而言，系統的瓶頸可能就從I/O轉移到了CPU。HDD作為存儲媒介時，常見的I/O密集型應用需要許多HDD來提供匯聚的I/O吞吐量及IOPS，才能與一個CPU/主板的處理能力相匹配。因此，當需要將一個主機與多個HDD相連(1:N扇出)時，通常采用SAS技術來實現I/O扇出式的架構。而采用SSD時，存儲與CPU的性能比反了過來。為了運行同一個應用，可能需要多個CPU/主板來產生足夠的I/O訪問以充分利用單個SSD。隨著摩爾定律的失效，半導體性能的提升速度放緩，完全可以預見到SSDIOPS的提升將會快過CPU時鐘頻率的提升，因此SSD與CPU之間IOPS的差距預計將隨著時間而持續增加。這就意味著更加均衡的設計需要有扇入式的I/O網格來連接多個主機，共享單個SSD的訪問權(N:1扇入)。此外，為了容量擴展的需要，此I/O架構還需要支持N:M扇入/共享的能力。

　　必須發明新的I/O架構以應對這些挑戰

　　另外一個重要的考量是SSD是否會徹底取代HDD，成為唯一的存儲媒介。下面的圖表給出了低容量盤(250GB及500GB)的SSD/HDD之間的歷史價格對比。由此可見，對500G盤而言，SSD/HDD的價格比大約為8:1，而250G盤則是4:1。對于更高容量的盤而言，價格比大略穩定在10:1。其他更為復雜的研究也提供了設備密度提升的預測，基本上都歸結到摩爾定律(每18個月集成電路上可容納的晶體管數目會增加一倍)對半導體存儲技術長期演進的推動，以及克萊德法則(每13～18個月同一價格的硬盤存儲容量會翻一番)對磁盤密度的驅動。這些研究帶來的關鍵啟示如下：

　　· 未來十年中，大容量盤仍然以HDD為主。目前基于NAND閃存的SSD技術不會超過HDD的密度。可能需要量產的新非易失性存儲技術來改變密度競爭的格局。

　　· 對低容量盤而言，SSD與HDD之間的價格差距正在拉近，SSD也許會與HDD的價格相近，在不遠的將來成為主要的存儲設備。

　　· 采用NAND及機械旋轉機制來進行數據存儲的混合盤可能會出現，成為中等容量區間中的主要存儲媒介。PC用戶已經在使用混合盤。但是，由于服務器可以在系統層面混合SSD和HDD并提供更加直接的控制，因此，融合NAND以及物理轉盤的混合盤在企業級服務器/陣列及數據中心中的使用仍然不明朗。

　　因此，未來十年采用的I/O架構必須為SSD與HDD的混合應用提供強有力的支持。

圖1 SSD與HDD價格預測

　　從磁盤接口協議的角度來看，眼下的低價HDD市場中主要采用SATA連接，而具備冗余訪問的高性能/可靠性的HDD則采用SAS連接。兩種協議都針HDD的性能特性而進行優化。雖然SATA和SAS已經用作SSD的接口協議，但充分利用PCIe總線接口的低延遲以及高帶寬的SSD新協議如NVMe和SCSIe已然出現。為了支持HDD與SSD的混合應用，下一代的I/O架構需要為SATA、SAS及PCIe提供原生支持。

　　綜上所述，SSD的飛速發展為I/O架構帶來了前所未有的壓力與挑戰。在未來I/O架構的構想中，SSD的特性固然需要考慮在內，而HDD在容量及價格方面的持久優勢也將賦予其持久的生命力。新I/O架構不僅必須支持兩者長期的共存，還必須為現有的各種磁盤接口協議(如SATA/SAS/PCIe等)提供原生支持。

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本文標題：新型I/O架構或將引領存儲之變

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