【加速儲存運算的輔助處理器】儲存輔助運算架構的基本概念與類型

在主流的軟體定義儲存架構風潮下，為儲存設備引進輔助處理器，可說是一種「反動」，或是逆向的發展。

標準的軟體定義儲存架構下，是完全依靠通用處理器包辦所有運算工作。而近幾年來，部分儲存產品引進輔助處理器的目的，則是用於加速資料縮減技術或加密等進階應用的運算，藉此卸載通用處理器的負擔，進而確保儲存設備的整體效能，而這也讓儲存設備的運算架構，成為通用處理器搭配輔助處理器的混合式架構。

新時代的輔助儲存運算架構

事實上，通用處理器+輔助處理器的混合架構，在儲存領域其實已存在多年。

如同我們前面提過的，2000年代早期的儲存陣列，控制器核心大多是由通用處理器+I/O處理器構成的混合架構；除此之外，許多磁帶設備與虛擬磁帶櫃（VTL）產品，也都有搭配硬體壓縮或加密功能的選項，至於內含加密晶片的SED磁碟，也已在儲存領域應用多年。

就架構來說，近幾年來興起的這一波輔助加速硬體潮流，與10多年前流行的通用處理器+I/O處理器架構，同樣都是混合處理器架構；就目的來說，則與備份儲存裝置，或SED磁碟上的壓縮或加密晶片相同，都是透過專用硬體，來處理資料縮減或加密運算。

然而，儘管架構與用途相似，但新一代的輔助加速硬體架構，無論在應用的深度還是廣度上，都不是以前的舊架構所能比擬。

比起應用在備份裝置上的硬體壓縮或加密晶片，新一代的輔助加速硬體，是用於搭配包括全快閃儲存陣列在內的第一線儲存陣列設備，因此對於整體系統的處理速度、延遲與存取回應即時性，都有更高的要求。

而比起早期儲存陣列的I/O處理器，只是用於相對固定、單純的RAID運算或I/O處理，新一代的輔助加速硬體，承擔的工作更多樣化，必須承擔複雜許多的資料縮減運算，必要時也能透過可程式化的特性，承擔類型更廣泛的運算。

於是，為了與舊架構區隔，一些廠商特別用了資料處理器（Data Processing Unit，DPU）或儲存處理器（Storage Processing Unit，SPU）的新名號，來指稱新一代的儲存加速硬體。

儲存加速硬體的基本類型

就概念來說，輔助處理器的用途，都是用於卸載與加速特定的儲存運算作業，但是在實際應用上，則存在著各式各樣不同的晶片硬體形式，而輔助處理器部署在儲存設備間上的方式，也有不同的架構區別。

因此，我們可以依照輔助處理器的硬體形式，以及儲存設備部署輔助處理器的架構，將儲存輔助處理器區分為幾種基本類型。

儲存輔助處理器的3種硬體型式

就加速晶片的類型，新一代的儲存加速硬體能分為3種類型：

● ASIC：速度最快，但功能固定，成本也相對高昂，如HPE StoreServ與Primera系列的輔助處理器，以及NetApp AFF A400搭載的加速晶片，都是屬於ASIC類型。

● FPGA：效能不如ASIC，但具可程式化特性，功能較靈活，容易開發，成本也相對較低，如HPE的SimpliVity系列， Hitachi Vantara的VSP 5000，以及三星SmartSSD使用的加速晶片，都是屬於FPGA類型。

● 嵌入式通用處理器：透過內嵌Arm等低功耗的通用處理器，來處理加速運算功能，功能比ASIC或FPGA更彈性、廣泛，開發也更簡易，但效能不如前兩者。如SoftIron、Nebulon與Pliops等新創廠商，所發展的SPU附加儲存加速模組產品，都是基於Arm處理器。

儲存輔助處理器的3種部署方式

依照儲存設備部署加速硬體的方式，也可將當前的儲存加速硬體分為3種：

● 控制器端：內嵌於控制器核心的加速晶片，最典型的產品，便是HPE 3PAR的StoreServ與Primera系列儲存陣列中，控制器主機板上所搭載的專屬ASIC晶片。這種架構的優點是加速晶片直連核心處理器，距離近、延遲也低，缺點是開發成本高，也不易更新升級。

● 附加模組端：透過附加介面卡或模組上的加速晶片，來卸載資料縮減運算，如Dell在VMAX與PowerMax高階儲存陣列上，所提供的Compression I/O模組與Data Reduction I/O模組，還有HPE SimpliVity系列超融合系統的OAC加速卡，NetApp AFF400儲存陣列的卸載引擎卡等。

這種架構的優點，是開發成本相對較低，有第3方廠商提供的現成加速卡硬體可供選用，且便於部署與更新升級，但加速卡模組上的輔助處理器，需繞經PCIe來連結核心處理器，比起控制器端架構，將帶來較大的延遲。

● 儲存裝置端：在SSD等儲存模組上內嵌加速用晶片，如Hitachi Vantara內建壓縮與I/O加速功能的FMD儲存模組，還有不久前三星與Xilinx共同推出、內含FPGA加速晶片的SmartSSD，以及NGD Systems的運算型儲存裝置（Computational Storage Device）也屬於這個類型。類似於附加模組端架構，儲存裝置端架構同樣擁有開發成本低，易於部署的優點，亦有第3方廠商的現成元件可用，缺點則是延遲較大。

即將開始盛行的儲存輔助處理器

過去10年以來，其實一直有廠商如HPE 3PAR與Hitachi Vantara等，堅持在儲存設備中保留輔助用的ASIC晶片，一些新創廠商如SimpliVity等，也是以整合了FPGA加速晶片的硬體架構，而獨樹一幟，但這些廠商是在整個儲存界只是極少數，絕大多數廠商都是採用基於通用處理器的軟體定義儲存架構。

不過，從4、5年前起，情況開始有了轉變，為了克服資料縮減功能帶來的運算負荷，Dell EMC、Fujitsu等一線大廠，先後為新一代高階儲存陣列產品引進了硬體加速單元，後來這個潮流逐漸擴大，應用範圍延伸到中階儲存陣列、SSD儲存裝置等領域。

到了2019、2020年以後，包括Dell EMC、Fujitsu、HPE、NetApp、Hitachi Vantare等一線儲存大廠，以及三星等重量級儲存元件供應商，都已不同程度地投入了儲存加速硬體的應用，更有一批新創廠商，專門致力於儲存加速模組產品的發展。在2021年，我們將能見到這個領域更多的應用與進展。

 儲存加速硬體的3種部署方式 

應用於儲存設備的加速硬體，硬體型式有ASIC、FPGA與低功耗通用處理器等3種。部署方式則有控制器端、附加模組與儲存裝置端等3類，目前最常見的組合，是ASIC與FPGA結合附加模組的型式。

 控制器端  加速晶片內嵌於控制器主機板上

〇 優點：加速晶片直連核心處理器，延遲較低

╳ 缺點：開發成本高，不易更新升級

 附加模組端  透過附加板卡上的加速晶片，來為儲存設備部署輔助處理器

〇優點：開發成本較低，易於部署與更新加速硬體

╳缺點：延遲較大

 儲存裝置端  透過內嵌在SSD等儲存裝置上的加速晶片，來為儲存設備提供輔助處理器

〇優點：開發成本較低，易於部署與更新加速硬體

╳缺點：延遲較大

資料來源：HPE、NetApp、Samsung，iThome整理，2021年3月