資料縮減硬體加速的基本架構與類型

用於資料縮減功能的硬體加速，是一種資料分流的概念，由儲存控制器的處理器，與專用加速晶片構成協同架構，控制器處理器負責一般I/O處理與系統控制，加速晶片則專門負責壓縮、重複資料刪除等資料縮減功能的運算。

這種硬體加速架構，最早見於超融合系統廠商SimpliVity的OmniStack儲存平臺（已併入HPE），早在2012年時，便導入了專用於提供壓縮與重複資料刪除運算功能的OAC加速卡。後來，從2015～2016年起，HPE、Dell EMC、Hitachi、NetApp與富士通等一線儲存大廠，也陸續引進，為旗下儲存陣列產品引進專用加速硬體，以卸載壓縮與重複資料刪除運算負擔。

資料縮減加速硬體的類型

目前各一線大廠的新一代高階儲存陣列產品，多已導入了用於資料縮減運算的專用加速硬體，另外，也有部分中階產品擁有這種加速硬體配置。

控制器內嵌 vs. 附加模組

依照儲存設備部署加速硬體的型式，儲存加速硬體的架構，可以分為直接配置於控制器核心的專用加速晶片，或是透過附加模組部署的加速晶片兩大類，前者內嵌於控制器核心內，後者則是以附加板卡或模組的型式，來連接控制器核心。

兩種架構相較之下，內嵌於控制器核心的加速晶片，有利於縮短I/O路徑的延遲，但開發與升級相對困難；至於透過附加板卡或模組來部署的加速晶片，雖然處理延遲相對較大，但有著易於部署與升級的優點，所以在市場上也更為普遍。

目前採用附加板卡或模組，來部署資料縮減用加速晶片的儲存陣列產品較多，包括：Dell EMC的PowerMax與VMAX系列，Hitachi Vantara的VSP，HPE的SimpliVity系列，以及NetApp的AFF A400等。

至於採用控制器內嵌加速晶片的儲存陣列產品，相對較少了許多，目前有HPE 3PAR的StoreServ系列、Primera系列，以及富士通的DX8900 S4等。

ASIC vs. FPGA

若從加速硬體晶片形式來看，可分為ASIC與FPGA。從目前儲存設備的導入情況來看，像是HPE 3PAR的StoreServ與Primera系列，以及NetApp AFF A400的加速晶片，都屬於ASIC；而HPE的SimpliVity系列，以及Hitachi Vantara的VSP 5000使用的加速晶片，則屬於FPGA。

兩種晶片各有擅場。例如，ASIC的效能較高，但開發成本相對高昂；FPGA則有容易開發、成本較低的優點。

目前兩種架構在市場上的應用普及情況，大致平分秋色，但長期來看，FPGA最終應該會更為普遍。

典型的資料縮減加速硬體架構 我們以SimpliVity OmniStack超融合儲存平臺的OAC加速卡，來說明資料縮減加速硬體的運作方式。 OmniStack平臺的每臺節點，都在Hypervisor上部署了1臺虛擬的OVC控制器來管理I/O存取作業，並在底層實體主機則部署了1張OAC加速卡，以及SSD與硬碟，為VM提供存取服務。 VM寫入資料的程序分為3個步驟： (1)　VM向OVC控制器發出寫入I/O需求； (2)　OVC將寫入I/O導到OAC加速卡，由OAC加速卡進行即時的壓縮與重複資料刪除運算，然後將縮減後的資料，寫入底層SSD與硬碟中； (3)　OVC向VM回報寫入完成。 在OmniStack平臺架構下，所有寫入資料都會經由OAC進行縮減運算，讓底層實體主機的處理器可免於這些運算負擔，從而可以向VM提供更多運算資源，藉此兼顧了整體效能與資料縮減功能的需求。圖片來源／HPE

代表性的資料縮減加速硬體：附加加速卡與加速模組

透過附加的介面卡或模組，來卸載資料縮減運算，這種方式是目前資料縮減硬體加速的主流架構，我們這裡介紹其中較具代表性的3種。

（圖片來源／Dell EMC）

Dell EMC在2016年中發表VMAX高階儲存陣列的全快閃機型250F時，同時引進了Compression I/O模組，可為VMAX提供Inline壓縮功能；接下來，在2018年中推出的新一代高階儲存陣列PowerMax，引進了新的Data Reduction I/O模組，可同時提供壓縮與重複資料刪除功能，藉由這兩種模組，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。

（圖片來源／HPE）

已於2017年初併入HPE的SimpliVity，是資料縮減硬體加速的先驅，其OmniStack超融合平臺，擁有專用於提供壓縮與重複資料刪除運算功能的OAC加速卡，由1張運算卡與1張供電卡組成，運算卡含有ㄧ顆Xilinx Zynq FPGA SHA-1與壓縮引擎晶片，以及512MB DRAM、8GB NVRAM與32GB NAND快閃記憶體，而供電卡含有12顆超級電容。

運作時，OmniStack平臺會把資料讀取到OAC卡上，由運算卡執行壓縮與重複資料刪除運算，若系統遭遇斷電事故，則可藉由供電卡透過超級電容取得暫時性電力，讓系統將資料寫入OAC卡的快閃記憶體保存。

（圖片來源／NetApp）

NetApp新推出的全快閃儲存陣列AFF A400，是當前少數擁有資料縮減運算硬體加速功能的中階儲存產品，在控制器的PCIe插槽中，預載了1張基於ASIC的卸載引擎卡（offload engine card），這張卡含有2個用於A400雙控制器互連的100GbE埠，還能提供壓縮、解壓縮，以及重複資料刪除特徵值運算比對等硬體運算功能，可以為處理器卸載這些運算負擔。

在此之前，中階儲存陣列產品很少擁有ASIC加速硬體，而NetApp的A400締造了一個新範例，讓中階儲存產品也能透過硬體加速架構，幫助克服資料縮減運算負擔的問題。

 相關報導  企業儲存瘦身術邁向新境界