麻省理工學院的研究人員設計了一種新穎的閃存系統，可以減少數據中心最昂貴組件之一所需的能量和物理空間的一半：數據存儲。數據中心是促進用戶和Web服務之間通信的服務器群，是世界上耗能最多的設施之一。其中，數以千計的耗電服務器存儲用戶數據，而單獨的服務器運行訪問該數據的應用服務。其他服務器有時會促進這兩個服務器集群之間的計算。

如今大多數存儲服務器都使用固態硬盤(SSD)，它使用閃存 - 電子可編程和可擦除存儲器微芯片，沒有移動部件 - 以高速處理高吞吐量數據請求。在ACM國際編程語言和操作系統架構支持會議上發表的一篇論文中，研究人員描述了一個名為LightStore的新系統，該系統修改了SSD以直接連接到數據中心的網絡 - 無需任何其他組件 - 并且支持計算上更簡單，更高效的數據存儲操作。進一步的軟件和硬件創新將系統無縫集成到現有的數據中心基礎設施中。

在實驗中，研究人員發現一個由四個LightStore單元組成的集群，稱為存儲節點，其運行效率是傳統存儲服務器的兩倍，通過現場數據請求所需的功耗來衡量。群集還需要不到現有服務器占用的物理空間的一半。研究人員通過個人數據存儲操作分解了節能，以此更好地捕獲系統的全部節能。例如，在“隨機寫入”數據中，這是閃存中計算量最大的操作，LightStore的運行效率幾乎是傳統服務器的八倍。

希望有一天，LightStore節點可以取代數據中心的耗電量大的服務器。“我們正在用更簡單，更便宜的存儲解決方案取代這種架構......這將占用一半的空間和一半的功率，同時提供相同的吞吐量容量性能，”共同作者，計算機科學的約翰遜教授Arvind說。工程學和計算機科學與人工智能實驗室的研究員。“這將有助于您的運營支出，因為它消耗更少的電力和資本支出，因為數據中心的節能直接轉化為節省資金。”

加入Arvind的論文是：第一作者Chanwoo Chung，電氣工程與計算機科學系的研究生;研究生Jinhyung Koo和Junsu Im，Sungjin Lee教授，大邱慶北科技學院(DGIST)。

當今數據中心的一個主要效率問題是架構沒有改變以適應閃存存儲。多年前，數據存儲服務器由相對較慢的硬盤組成，還有許多動態隨機存取存儲器電路(DRAM)和中央處理單元(CPU)，可幫助快速處理從應用服務器涌入的所有數據。

然而，今天，硬盤大多被更快的閃存驅動器取代。Chung說：“人們只需將閃存插入硬盤所在的位置，而無需改變任何其他內容。”“如果你可以直接將閃存驅動器連接到網絡，那么根本不需要這些昂貴的存儲服務器。”對于LightStore，研究人員首先根據“鍵值對”修改了SSD，這是一種非常簡單有效的檢索數據的協議。基本上，用戶請求顯示為鍵，如一串數字。密鑰被發送到服務器，服務器釋放與該密鑰相關聯的數據(值)。

這個概念很簡單，但是密鑰可能非常大，因此僅在SSD中計算(搜索和插入)它們需要大量的計算能力，這被傳統的“閃存轉換層”所消耗。這個相當復雜的軟件在閃存驅動器上的單獨模塊上運行，以管理和移動數據。研究人員使用某些數據結構技術僅使用一小部分計算能力來運行此閃存管理軟件。在這樣做的過程中，他們將軟件完全卸載到閃存驅動器中的微小電路上，該電路運行效率更高。

這種卸載釋放了驅動器上已有的獨立CPU - 旨在簡化和更快地執行計算 - 運行自定義LightStore軟件。該軟件使用數據結構化技術來有效地處理鍵值對請求。基本上，在不改變架構的情況下，研究人員將傳統的閃存驅動器轉換為鍵值驅動器。“所以，我們正在為閃存添加這個新功能 - 但我們真的沒有添加任何內容，”Arvind說。

然后面臨的挑戰是確保應用服務器可以訪問LightStore節點中的數據。在數據中心中，應用程序通過各種結構協議訪問數據，例如文件系統，數據庫和其他格式。傳統存儲服務器運行復雜的軟件，通過所有這些協議提供應用服務器訪問。但是這使用了大量的計算能量，并且不適合在LightStore上運行，LightStore依賴于有限的計算資源。

研究人員設計了非常計算輕便的軟件，稱為“適配器”，它將所有用戶請求從應用服務轉換為鍵值對。適配器使用數學函數將有關所請求數據的信息(例如來自特定協議的命令和應用服務器的標識號)轉換為密鑰。然后，它將該密鑰發送到相應的LightStore節點，該節點查找并釋放配對數據。由于該軟件在計算上更簡單，因此可以直接安裝到應用服務器上。

“無論你訪問什么數據，我們都會進行一些翻譯，告訴我關鍵和與之相關的價值。在這樣做的過程中，我也會從存儲服務器中獲得一些復雜性，”Arvind說。

最后一項創新是將LightStore節點添加到集群中與數據吞吐量成線性比例 - 數據處理的速率。傳統上，人們將SSD堆疊在數據中心以解決更高的吞吐量問題。但是，雖然數據存儲容量可能會增長，但僅在少量額外驅動器之后吞吐量就會穩定下來。在實驗中，研究人員發現四個LightStore節點的吞吐量水平超過了相同數量的SSD。