NVMe性能挑战暴露CPU瓶颈

日期: 2019-06-16 作者:Marc Staimer翻译:邹铮 来源:TechTarget中国 英文

NVMe闪存SSD降低了服务器或存储控制器CPU与连接的闪存SSD之间的性能问题,这也使得延迟性降低以及性能提高,优于SAS和SATA SSD。并且,NVMe-oF解决了从共享存储获取本地和嵌入式NVMe延迟和性能的问题,无论是在DAS还是在SAN连接存储中。

这些是关键的存储性能技术。然而,尽管它们至关重要,但它们暴露了另一个NVMe性能挑战:即服务器或存储控制器中的CPU瓶颈问题。

CPU瓶颈

摩尔定律已经放缓,事实证明,每18至24个月晶体管增加一倍也有其限制。最新的Intel x86处理器具有多达48个PCIe通道,最多可支持24个NVMe闪存SSD。最新的AMD x86插头兼容处理器具有多达128个PCIe通道,支持多达32个NVMe闪存SSD。

如果需要更多NVMe闪存SSD,则支持硬件会变得越来越复杂。这通常意味着更多的CPU,无论是内部还是外部CPU。存储可以是DAS,或者在NVMe-oF间共享。无论哪种方式,这都需要更多的CPU、驱动器、驱动器抽屉、交换机、适配器、收发器和电缆。

业界普遍认为,通过NVMe驱动器和NVMe-oF扩展容量及性能会需要更多硬件。现在有些精巧的系统具有多个CPU、大量NVMe驱动器、NVMe-oF互连以及高性能存储,例如Pavilion Data Systems和Vexata等供应商就提供这种系统。

但这里也是问题所在。这种系统带来明显的边际效益递减。硬件增长速度远远超过性能提升。无论添加多少CPU或NVMe闪存SSD,都会发生这种情况。最终,更多的硬件意味着整体性能的负回报。

这个NVMe性能挑战的根本原因不在硬件,而是在存储软件,它们并没有设计为匹配CPU效率。CPU性能每18到24个月翻一番,为什么要使用存储软件?重复数据删除、压缩、快照、克隆、复制、分层和错误检测及纠正等各种功能不断被添加到存储软件。其中很多功能都是CPU密集型。当存储软件消耗CPU资源时,它们无法支持高性能驱动器的存储I / O。

应对NVMe性能挑战的解决方案

有些人认为,下一代非易失性存储器-存储级存储器(SCM)-将解决这一NVMe性能挑战。但事实并不是这样,SCM技术只会加剧挑战,因为它们的性能提升会给CPU带来更大的负载压力。

尽管这已成为扩展存储性能的难题,但有我们仍然有几种方法来应对,包括:

  • 投入更多CPU(服务器或存储控制器)以及互连。这是最常见的方法,但这带来高成本和边际收益递减。
  • NVMe闪存SSD前使用动态RAMDRAM)缓存。与最快的NVMe闪存SSD相比,DRAM要快1000倍,且具有更低的延迟性。但是,它对每台服务器或存储控制器有严格的容量限制-通常为3 TB或更低。DRAM也很昂贵且易变,需要电源备份来保护缓存数据。随着SCM技术开始取代DRAM,DRAM缓存的成本将降低,同时,硬件复杂性也将降低。对于缓存,最大问题是扩展。这里需要缓存一致性来避免应用程序错误,但缓存一致性算法很复杂。随着服务器节点或存储控制器的数量,这种复杂性会呈几何增加。
  • Burlywood、NGD Systems、Pliops、ScaleFlux等公司的计算存储。计算存储会将一个或多个处理器及RAM放在NVMe闪存驱动器上。这些驱动器可以更接近数据地运行可执行文件,从而减少数据移动和延迟性。它们还支持主CPU与闪存驱动器之间的协同处理,可消除PCIe通道限制。这些驱动器的成本高于标准驱动器,并且主要由初创公司提供,但相信这种情况会发生改变。
  • 提高存储软件效率。在过去三十年,存储软件并不需要高效。因为有大量的服务器和控制器资源来处理存储软件,而不会影响读/写性能。曾经,硬盘是性能瓶颈,闪存驱动器(现在是NVMe)暴露了CPU瓶颈。为修复存储软件,我们需要完全重写它以提高效率,使其使用更少的服务器或存储控制器资源。换句话说,使用更少的服务器或控制器硬件资源获得更多存储功能。 StorOne公司是第一个采用这种方法的公司,但其他公司也正在努力赶超。

在这些应对NVMe性能挑战的方法中,有些方法具有成本效益,有些则不具备成本效益。 还有些更容易部署。所有方法都有优点、缺点和风险,并没有适合所有人的方法。这是一个难以解决的问题,但也是可以解决的问题。

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1个评论

  1. 写的真不错,能学到很多东西!

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