儲存月報第38期：企業儲存的硬體加速時代來臨

有人說，歷史是沿著螺旋狀的路線逐漸上升前進，儲存陣列架構的發展也可做如是觀。當前的通用硬體化潮流已風行了10年以上，幾乎完全取代了上個世代的專用硬體架構，然而在最新一波儲存產品發展中，又開始走向引進專用硬體的方向。

2000年代初期的儲存陣列控制器核心，大多是通用處理器+專屬ASIC晶片的架構，通用處理器負責一般管理，ASIC則承擔I/O處理作業。但由於ASIC開發成本高昂、更新速度緩慢，後來開始流行完全通用處理器的架構，而沿著這個路線，不僅控制器核心走向通用硬體架構，整個儲存陣列也開始朝向徹底的通用硬體化，也就是以標準的通用伺服器硬體來打造儲存設備。

但過去幾年以來，隨著即時壓縮與重複資料刪除（Data Deduplication，De-Dupe）等資料縮減技術（Data Reduction），開始普遍成為儲存陣列的基本功能，也導致儲存陣列控制器的運算壓力急驟增加，連帶也出現了設法將資料縮減運算卸載給專用硬體處理的做法，從而讓過去只見於磁帶機、虛擬磁帶櫃（VTL）等備份產品、用於資料縮減運算的壓縮晶片等專用硬體，也開始被應用到通用型儲存陣列上，改變了先前儲存陣列產品完全通用硬體化的架構。

當前主流架構——基於通用硬體的軟體定義架構

以標準通用伺服器硬體來打造儲存設備，是當前企業儲存產品的主流，在這種架構下，儲存設備與一般伺服器唯一的不同，只剩下系統核心運行的是專供儲存服務的軟體，也就是所謂軟體定義化（Software defined）的儲存。

採用通用硬體的最大優勢，便是硬體成本低，且便於迅速更新。由於所有硬體元件都來自標準的通用伺服器，不僅元件的取得與後勤管理相對容易，也能跟隨Intel更新處理器而同步升級，從而省下自行開發的龐大開支與時間。

然而即時壓縮與重複資料刪除等資料縮減技術的應用，卻暴露了通用硬體架構的不足。

全快閃儲存帶動資料縮減應用的擴展

壓縮、De-Dupe等資料縮減技術，在企業儲存最初是被應用在備份領域，藉以節省備份占用的儲存空間，與備份作業耗用的時間。

不過當全快閃架構於2010年代初期開始應用於企業儲存時，考慮到NAND Flash記憶體單位容量成本高昂，且寫入壽命有限，多數新創廠商發展的原生型全快閃儲存陣列產品，均將壓縮與De-Dupe列為儲存作業系統的基本服務之一，以便減少Flash記憶體的耗用，並延長壽命。為了與新創廠商競爭，接下來，各一線大廠推出的傳統儲存陣列全快閃衍生版本，也跟進將壓縮與De-Dupe列為基本服務。

於是在快閃儲存應用快速擴展的驅動下，資料縮減技術也迅速在企業儲存設備中普及開來，除了早先的備份環境外，許多一線儲存陣列都提供了這類功能。時至今日，不僅任何全快閃組態的儲存陣列產品，必須內含資料縮減功能，規格上才能具備足夠的競爭力，更進一步，在這樣的風潮帶動下，許多中階甚至入門級儲存陣列也都開始提供資料縮減功能選項，現在就連Windows Server也內含了De-Dupe功能。

專用加速硬體需求浮現

然而當資料縮減技術的應用，從早期的備份等第二線儲存應用，擴展到全快閃儲存陣列這類第一線儲存設備時，也帶來儲存控制器負荷大幅增加，以致影響用戶端線上儲存服務效能的問題。

無論壓縮還是De-Dupe，都會耗用相當多的控制器資源，包括處理器使用率、記憶體空間與I/O頻寬，如De-Dupe的特徵值比對作業，便會耗用許多CPU週期，作為比對基準的Hash Table也會占用相當大的記憶體空間。

當資料縮減技術被應用於備份環境時，雖然會耗費相當大的運算資源，但由於備份屬於離線應用，資料縮減相關的運算，是由備份伺服器或備份軟體代理程式在離峰時間於背景執行，因此不會影響到用戶日常的線上儲存應用。

但應用在第一線儲存設備時，資料縮減技術所耗用的儲存控制器運算資源，勢必會對用戶端的儲存服務造成影響，尤其是Inline型的即時壓縮或De-Dupe。

顯然的，若本來只是輔助性功能的資料縮減功能，占用的處理器資源過多，嚴重衝擊到用戶端可用的儲存I/O效能，那麼就是本末倒置。所以「實用化」的資料縮減技術，必須是以不影響儲存設備正常服務為前提。

面對這個問題，一般的解決辦法有這幾種：

（1）提供啟用與調節選項：為資料縮減功能提供可開關的選項，或是提供占用資源上限的設定，由用戶視個別環境的儲存I/O負荷，自行決定是否啟用資料縮減功能，或是設定資料縮減作業可用的資源上限。

（2）採用更高規格的處理器，來抵消資料縮減技術耗用的處理器運算資源影響。

（3）引進硬體加速，將資料縮減技術運算工作，卸載給專用硬體來執行。

其中（1）的做法只是緩解問題，只適用於不那麼需要資料縮減功能的情境。對於無時無刻都需要啟用（Always On）資料縮減功能的全快閃儲存陣列等產品來說，常用的解決辦法是（2），但這也帶來控制器硬體成本大幅攀升的副作用。因此近來開始流行的做法，便是（3）引進硬體加速的路線。

運用更便利的新一代加速硬體

先前儲存廠商逐漸放棄ASIC、走向通用處理器架構的主要原因，是開發ASIC耗費太大，不合乎成本效益。不過，現在的情況已有所不同，新技術可以更低的成本，來滿足儲存廠商所需的硬體加速需求。

首先，當前儲存設備導入專用加速硬體的目的，主要是用於卸載壓縮、De-Dupe等資料縮減運算，其中壓縮演算法幾乎都是開放的通用技術，De-Dupe演算法也逐漸走向開放化與通用化，出現了可提供這方面功能的現貨晶片產品，如硬體壓縮晶片目前已經很成熟，已有許多現貨產品可選，儲存廠商無需自行研發，大幅降低了導入這類用途晶片的成本。

其次，FPGA晶片應用的逐漸普及，提供了一種成本較ASIC更低的專用加速硬體型式，如HPE的SimpliVity產品線，便採用了基於Xilinx FPGA晶片的加速卡，用於搭配其儲存軟體平臺，提供壓縮與De-Dupe功能。

導入專用加速硬體的新一代儲存產品

在儲存產品領域，資料縮減運算用途的硬體加速，並不是新事物，過去許多磁帶設備或虛擬磁帶櫃產品，便都提供了硬體壓縮晶片的選項。

而隨著即時壓縮、DeDupe等資料縮減功能在通用型儲存陣列上的普及，連帶的，為了降低這些資料縮減功能給儲存陣列控制器帶來的負擔，目前已經有部份通用型儲存陣列產品，提供了用於資料縮減技術的硬體加速功能，依照架構又可分為結合在控制器核心的專用加速晶片，或是透過附加模組提供的硬體加速卡兩大類。

控制器核心的專用加速晶片

最典型的代表，便是HPE 3PAR StoreServ系列儲存陣列內嵌於控制器的專屬ASIC晶片。多年來，3PAR一直堅持通用處理器+ASIC架構，通用處理器負責系統控制，專屬ASIC晶片負責執行RAID 5、RAID 6，控制器互連與快取I/O處理，以及Thin Provisioning、Zero區塊檢測等功能，在這類固定運算作業上，ASIC的專用硬體線路比起通用處理器有先天的性能優勢。

而當HPE 3PAR引進De-Dupe功能時，也為ASIC晶片增加了新的任務。HPE於2015年中發布3PAR OS 3.2.1 MU2上，開始提供搭配專屬第4代ASIC晶片的De-Dupe功能Thin Deduplication，以及基於這項功能的Thin Clones複製，可幫助卸載處理器的負擔。

這些特性都被被沿用到後來改款的HPE 3PAR StoreServ產品線上，ASIC晶片也升級到第5代。到了今年新發表的最新的Primera系列上，HPE依然堅持通用處理器+ASIC架構，以及ASIC卸載處理的機制，ASIC則升級為最新的第6代，

附加的硬體加速模組

典型的代表，是現已併入HPE的超融合系統廠商SimpliVity，在其產品上用於執行壓縮與重複資料刪除的OAC（OmniStack Accelerator Card）加速卡。多數超融合系統雖然都含有壓縮與De-Dupe功能，但都是占用CPU資源的軟體功能。而HPE SimpliVity獨樹一幟地已OAC加速卡來執行這兩項功能。

OAC是專門搭配SimpliVity OmniStack儲存平臺的硬體裝置，本身是運算卡與超級電容供電卡構成的PCIe介面卡。運算卡核心是ㄧ顆Xilinx Zynq FPGA SHA-1與壓縮引擎晶片，OmniStack平臺會把資料讀到OAC卡上，執行壓縮與De-Dupe運算。

在SimpliVity之後，一些儲存廠商也在通用型儲存陣列上引進類似的硬體加速卡或模組。

以儲存龍頭Dell EMC來說，早在多年前的Symmetrix DMX儲存陣列產品上，便提供了內含於乙太網路模組上的壓縮晶片，不過這主要是用來減少網路傳輸頻寬需求，例如幫助減少SRDF遠端複製功能的傳輸頻寬，當資料寫入儲存區時，將被解開為原始狀態。

後來當Dell EMC在2016年中發表VMAX的全快閃機型250F時，另外引進了用於提供Inline壓縮功能的硬體介面卡，可幫助縮減寫入儲存區的資料量；最新一代PowerMax則引進了新的資料縮減模組介面卡，可同時提供壓縮與De-Dupe，不僅可顯著減少寫入儲存區的資料量，同時這些資料刪減運算也幾乎不會影響控制器的效能。

類似的，富士通在其新的旗艦儲存陣列DX8900 S4上，也引進了搭配控制器的SAE儲存加速引擎（Storage Acceleration Engine），可利用SAE的硬體來卸載Inline即時壓縮作業。

一般而言，多數的硬體加速裝置，都採取搭配儲存控制器的PCIe板卡型式，但也有例外，如Hitachi Vantara的VSP系列儲存陣列，是透過專屬的FMD（Flash Module Drives）快閃儲存模組來執行硬體壓縮功能，從第2代FMD DC2便開始提供這個功能，目前已發展到最新的3.5代FMD HDE模組，除了硬體壓縮以外，還嵌入了加密功能。

總的來看，除了HPE SimpliVity以外，目前導入硬體壓縮或De-Dupe功能的儲存產品，主要以高階儲存陣列為主，這類型產品的價位，以及用戶對效能的需求，使其較能承擔引進硬體加速的成本。