百度提出“軟件定義閃存”存儲概念，不再遵循傳統的固態硬盤設計

作者：Steve Leibson, 賽靈思戰略營銷與業務規劃總監

固態硬盤（SSD）工程師吉姆·漢迪在一次報告中指出，中國領先的互聯網搜索引擎公司——百度，創建了一個名為“軟件定義閃存”（SDF）的SSD架構。該架構最大限度地利用了SSD閃存存儲芯片的固有性能。通過將閃存芯片的單個通道開放給主機服務器上運行的軟件，可允許服務器建立自己的數據，從而更好地安排數據訪問。吉姆還指出，百度的設計方法從閃存芯片中提取了95%的原始帶寬，同時將99%的閃存存儲容量用于用戶數據。在去年鹽湖城舉辦的ASPLOS會議上發表了題為“SDF：用于網絡存儲系統的軟件定義閃存”一文，文中展示了上述的研究成果。

百度的數據中心可存儲數以百計的千兆數據，每天的數據處理量可達到幾十個千兆字節。隨著存儲系統的性能要求越來越高，百度發現，硬盤和傳統的SSD變得越來越不適用。SDF則是百度公司提高數據中心性能而采取的最新舉措。

像SDF這樣全新的基于閃存的存儲架構不能使用傳統的SSD控制器ASSP，因此，開發團隊自主研發了SDF架構，并基于Xilinx Virtex-5和Spartan-6 FPGA建立了一個 PCIe SDF開發板，如下圖所示：

百度SDF控制器架構

Virtex-5 FPGA應用了SDF的PCIe DMA和接口，在FPGA中進行芯片對芯片的橋接，并且其還是四個Spartan-6 FPGA的主控器。每個開發板有44個通道，而每個Spartan-6 FPGA可以實現其中11個獨立閃存轉換層（FTL）控制通道。每個閃存通道可控制兩個Micron 8Gbyte MLC閃存芯片，因此每個SDF開發板的總容量有704Gbyte。

設計團隊為降低開發板成本做出了很大的努力，為適用于通用的存儲和不同的工作負載，在其設計中融合了與商用SSD截然不同的特性。例如，SDF主要作為很少訪問的硬盤緩存和數據使用，不會在緩存中駐留太長時間，因此SDF不能進行靜態平均讀寫。

此外，SDF硬件不包括DRAM緩存，而傳統的SSD為縮短數據訪問時間通常包含大量的DRAM緩存。數據駐留在DRAM緩存中時，供電故障可能會影響數據的一致性，因此緩存控制器的設計中必須包含一個電池或電容，使其可以度過斷電期或允許一段時間的斷電，以防止數據損失。然而，電池和電容卻增加了硬件成本。在百度的存儲基礎設施中，服務器主機內存可以緩存最近訪問的數據，因此SDF設計排除了DRAM緩存，高速緩存存儲器的相關成本也由此降低。

百度的研發人員為SDF設計進行了大量的基準測試，本文進行了詳細論述。總結如下：
“試驗測量表明，SDF可提供95%的原始閃存帶寬和99%的用戶數據閃存容量。SDF增加了3倍I/O帶寬，且相比百度的商用SSD系統，SDF平均降低了50%的每節次比硬件成本。”

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