X5架构创新之二：高性能eXFlash固态盘系统
服务器技术与性能正在迅速的发展与提高，而这其中主要的推动力，毫无疑问就是CPU，许多周边设备的技术发展与进步是与CPU密切相关的，比如内存、网络I/O以及存储设备等。而在当前，处理器的多核化已经不可阻挡，这又将给周边的数据设备带来新的挑战。
由于处理器内核的增加，也必将加剧对服务器资源的争夺，这里包括了内存容量、内存带宽、网络带宽以及存储I/O带宽等等。现在去衡量一个采用多核处理器的服务器的基本能力时，一个基本的指标就是每核所分配的到资源，如果资源不够，每个核心的性能也将不能充分的发挥。而且，随着服务器虚拟化的不断普及，在单台服务器上承载多个应用虚拟机已经趋于常态，而这种显而易见的多任务的压力也就分摊在相应的I/O设备上了。
为此，厂商在不断的给内存增加通道数量，提高内存的传输率，网络I/O也从Mbps向10Gbps级迈进，这些基本都是可以通过电子电路设计的改进来实现，因此慢慢的，人们就感觉到最终的性能瓶颈开始向存储集中，即传统的硬盘（或称磁盘）系统。
硬盘（全称硬盘驱动器，HDD——Hard Disk Drive）已经有了很悠久的历史了，最早可以追溯到50多年前，所以发展至今已经千锤百炼，在技术上已经相当的成熟，伴随着垂直磁记录等技术的普及与发展，硬盘现在容量已经发展到TB的级别，每GB的成本不过几毛钱，这在当前的服务器系统中的优势无可比拟，但是由于硬盘的原理性限制，它的劣势在CPU性能突飞猛进的今天也就越发明显。
我们知道硬盘的存储是基于旋转的磁盘，在工作时有一个磁头臂带着磁头在旋转的磁盘上做径向的寻址，然后再读写数据，这里就存在着较大的访问延迟。由于磁头在开始读写数据前要先找到相应的磁道，再找到相应的扇区，所以其平均寻址时间由平均寻道时间+平均潜伏期得来，以当前最高性能的15000RPM（每分钟15000转）的传统硬盘产品为例，其平均寻道时间为3.2ms，平均潜伏期（盘片旋转半圈的时间）为2ms，两者相加为5.2ms，这就意味着它对寻址命令的平均响应能力是192IOPS，IOPS就是指硬盘在每秒里可执行的I/O操作数，由于必须先找到地址才能进行I/O操作，所以IOPS也基本可以理解为对寻址命令的响应能力，这对于CPU的事务处理非常关键，尤其是非常常见的随机访问操作（如数据库）。
虽然现在有较为成熟的命令排队技术来优化硬盘的寻址操作，但理论的上它的实际性能很难超过单一的平均潜伏期的水平，比如平均潜伏期为2ms，那么IOPS的最大值就在500左右，这就是传统硬盘传统硬盘的最理想的水平，而实际测试成绩一般在200至300之间。在传统的单核服务器上，这样的IOPS表现似乎问题不大，但如果是在多路多核的系统上，尤其是多虚拟机环境下，这无疑将成为最明显的性能瓶颈。可是，基于机械的硬盘在这方面是力不从心的，因为转速很难再提升，所以它的响应速度最终就落在ms（毫秒）的级别。
另一方面，由于是在旋转的磁盘上进行数据的读写，所以其数据传输率将随磁道的位置产生变化，最外圈的磁道数据传输率最高，但越往里数据传输率越低，这从其数据传输曲线图上就能看出来，它是一个呈阶梯状的从高向低的曲线，也就是说硬盘无法做到数据传输的恒定，这也对其有效带宽造成了致命影响。
传统15000rpm企业级硬盘的测试图，数据传输率也因为内外圈的设计，而有所不同，内圈的数据传输率基本上只有外圈的66.7% 为此，IBM在最新的eX5服务器所采用了eXFlash SSD（IBM称之为“极速存储套件”）来解决存储I/O瓶颈问题。
SSD是一种基于闪存技术的存储设备，而闪存（Flash Memory）是一种非易失性的半导体存储器（NVRAM），这里就有两个特点，第一它是非易失的，可以像硬盘那样永久的保存数据，第二它是半导体存储器，就意味着更快的访问速度。 当前主流的存储用闪存就是NAND闪存，若算上页面寄存器的数据传输时间，基本是20us（微秒）左右，理论的IOPS可达50000，是传统硬盘传统硬盘的100倍，这就是当前SSD相对于硬盘的领先水平，而如此高的响应能力再加上可通过多通道设计来成倍提高I/O带宽的能力， 使得SSD迅速成为了高性能服务器的首选。而且，SSD的数据由于是类似于内存的平行传输，不存在硬盘的外圈与内圈的问题，所以可以做到恒定保持在最高的数据传输率上。 
从SSD的传输曲线图中可以看出，基本处在同一水平线上，没有硬盘的内外圈之分，在全容量范围内都可获得最高的传输速率 IBM eX5服务器中的3850 X5采用了8块2.5英寸规格的eXFlash SSD（3690X5也可采用，而x3950X5数据库优化版则是标配eXFlash），而该服务器具备4个英特尔最先进的8核心处理器，共32个核心，此时每个核心所能分配到的IOPS性能达到了近12500，如果按一个典型的数据库容量为100GB，IOPS平均需求为15000计算，这8块eXFlash SSD就能支持30个这样的数据库的运行，而用传统的硬盘，至少需要800块（还是理论上的理想情况），这800块硬盘无疑就意味着更高的电源消耗、更多的容量浪费（因为为了增加IOPS所带来的新增加的硬盘容量并不是必须的），更多的运维成本（800块硬盘不可能放在服务器里，所以需要额外的阵列占用机房空间，并需要专门的维护）。事实上，经过IBM的试验表明，以这种平均45万IOPS的访问规模运行3年后，eXFlash SSD所节省的电力与运维成本就将近230万美元，而它仅以硬盘阵列3%的成本就可实现同等的IOPS性能，能耗只有硬盘阵列的1%。 
IBM以一个大中型企业的IT应用为例，共用30个数据库（比如ERP、CRM、HR等数据库），每个数据库规格100GB，如果要满足每个数据库15000IOPS的访问负载，则需要巨大的存储系统予以支撑，而它所占用的成本也是巨大的 
8块eXFlash SSD相当于800块传统硬盘的IOPS响应能力，而成本则节约了97%，功耗只有后者的1%，优势明显，而借助后端的专业存储系统，则可以更合理的分配存储资源，而不必为了满足IOPS而低效率的添加硬盘 从某种角度上讲，eXFlash并不像MAX5那样具有创新性，然而从中也能看出SSD在服务器中的地位也将越来越重要，在很多应用中，对容量的需求远没有对性能的需求强烈，而当新一代高性能处理器推出之后，这种反差也将更加强烈，因此eXFlash也完全是顺应潮流之举。 IBM表示，eXFlash包括了SSD与控制器两大部分，SSD采用了高寿命的SLC型产品，而控制器也进行了算法的优化，以最大限度的在保证高性能的同时保证eXFlash系统的可用性和可靠性。 目前的eXFlash SSD的容量为50GB，IBM计划在不久的将来推出200GB容量的eXFlash SSD。 
IBM专门为eXFlash而开发的6Gbps SAS控制器，它不能接驳传统的硬盘，而只有采用它与eXFlash SSD结合才能发挥最大的效能 | 
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发表于 2011-2-5 16:55:00
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