智能化SSD帶來的芯片機(jī)會(huì)

　　隨著大數(shù)據(jù)和人工智能越來越成為當(dāng)今社會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，云數(shù)據(jù)中心的硬件和芯片也在為了滿足大數(shù)據(jù)和人工智能的需求而不斷演進(jìn)。大數(shù)據(jù)和人工智能的一個(gè)重要特點(diǎn)就是需要海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)或者由互聯(lián)網(wǎng)用戶產(chǎn)生，或者由服務(wù)器經(jīng)過分析而產(chǎn)生，而這些海量的數(shù)據(jù)在為大數(shù)據(jù)和人工智能提供核心支持的同時(shí)，也對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提出了新的需求。

　　在傳統(tǒng)的存儲(chǔ)架構(gòu)中，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SSD中，而這些SSD則會(huì)安裝在特定的存儲(chǔ)服務(wù)器中。當(dāng)服務(wù)器需要數(shù)據(jù)時(shí)，需要首先和存儲(chǔ)服務(wù)器通信，而存儲(chǔ)服務(wù)器再去從SSD中把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中，CPU去做一系列底層的任務(wù)(如篩選，加解密等)，完成數(shù)據(jù)從SSD的讀取或?qū)懭氲絊SD。整個(gè)過程中，需要存儲(chǔ)服務(wù)器CPU處理大量這樣的底層任務(wù)，從而成為SSD讀寫的能量瓶頸，同時(shí)當(dāng)需要大規(guī)模部署時(shí)，存儲(chǔ)服務(wù)器中的CPU也成為了成本中的一個(gè)重要部分。

　　為了解決這樣的存儲(chǔ)效率問題，計(jì)算存儲(chǔ)是一個(gè)重要的方向。使用計(jì)算存儲(chǔ)后，SSD硬件中將會(huì)通過集成計(jì)算和處理芯片來變得智能化，從而將大量重復(fù)的底層任務(wù)直接交給這些SSD集成的計(jì)算和處理芯片來完成，從而降低了對(duì)于存儲(chǔ)服務(wù)器中CPU的需求——存儲(chǔ)服務(wù)器中的CPU可以用來處理一些更加高層任務(wù)。在智能化SSD中，許多底層任務(wù)并不需要特別高端的CPU，因此通過集成較為基礎(chǔ)的CPU在SSD中可以降低存儲(chǔ)服務(wù)器中CPU的運(yùn)算量;同時(shí)智能SSD中的許多底層任務(wù)甚至可以用固化的數(shù)字邏輯來實(shí)現(xiàn)，這樣來說就可以進(jìn)一步增加運(yùn)算和處理的效率，因?yàn)镃PU對(duì)于這類專門任務(wù)的處理效率，尤其是能效比，往往很低。

　　計(jì)算存儲(chǔ)的構(gòu)想提出已經(jīng)有幾年，但是其真正成熟并進(jìn)入主流需要整個(gè)存儲(chǔ)行業(yè)都能定義一個(gè)能廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，從而確保不同公司的智能SSD存儲(chǔ)都可以有統(tǒng)一的接口。網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)行業(yè)協(xié)會(huì)(Storage Networking Industry Association，SNIA)為此專門成立了一個(gè)計(jì)算存儲(chǔ)專門工作組，包括了58家成員公司(包括三星，鎂光，華為，浪潮等全球各地的存儲(chǔ)和系統(tǒng)廠商)。

　　今年八月底，在經(jīng)過四年的討論工作后，SNIA計(jì)算存儲(chǔ)專門工作組公布了*版計(jì)算存儲(chǔ)架構(gòu)和編程模型標(biāo)準(zhǔn)，這也就成為了智能化SSD的一個(gè)里程碑式事件，因?yàn)橛辛诉@個(gè)由業(yè)界主流企業(yè)共同完成的標(biāo)準(zhǔn)后，行業(yè)才能真正實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)并且應(yīng)用在主流產(chǎn)品中。

　　SSD智能化的技術(shù)路徑

　　隨著智能化SSD的概念逐漸為業(yè)界所接受并標(biāo)準(zhǔn)化，我們預(yù)計(jì)未來智能化SSD相關(guān)的產(chǎn)品也會(huì)越來越多，智能化存儲(chǔ)產(chǎn)品中對(duì)于相關(guān)處理芯片的需求也會(huì)逐漸增加。我們這里分析一下目前已經(jīng)公布的智能化SSD產(chǎn)品所使用的相關(guān)芯片技術(shù)，并且預(yù)測(cè)未來的發(fā)展方向。

　　三星是智能化SSD投入最多的存儲(chǔ)巨頭之一。三星的相關(guān)產(chǎn)品是SmartSSD Computational Storage Device(CSD)。在三星的CSD系列產(chǎn)品中，集成在SSD中的處理芯片是FPGA。*代CSD于2020年11月發(fā)布，其中集成了Xilinx FPGA。而第二代CSD則在今年七月剛剛發(fā)布，其中集成的處理芯片仍然來自于Xilinx(AMD)，只是與時(shí)俱進(jìn)更新成為了Versal Adaptive SoC(其中包括了FPGA以及ARM核)。根據(jù)三星的介紹，其第二代CSD產(chǎn)品可以在本地完成數(shù)據(jù)過濾，數(shù)據(jù)壓縮和格式轉(zhuǎn)換，從而可以將存儲(chǔ)服務(wù)器的能耗降低70%，改善存儲(chǔ)服務(wù)器的CPU負(fù)載高達(dá)97%。

　　三星使用的FPGA方案更注重靈活性，因?yàn)镕PGA具有可編程性，因此對(duì)于用戶的軟件接口和相關(guān)任務(wù)有較好的兼容性。根據(jù)三星的介紹，其第二代CSD上運(yùn)行的主要是客戶編寫的軟件和IP，因此使用FPGA來保證*的靈活度和兼容性也在情理之中。

　　除了三星之外，初創(chuàng)公司ScaleFlux也發(fā)布了其智能化SSD系列產(chǎn)品。去年十一月，ScaleFlux發(fā)布了第三代智能化SSD產(chǎn)品CSD 3000。其技術(shù)方案與三星*的不同在于使用了ASIC SoC方案而非FPGA方案。其SSD產(chǎn)品中集成的SoC包括了八核ARM，硬件加速引擎(包括數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)匹配以及哈希算法的加速)，以及閃存和PCIe接口控制。

　　比較使用FPGA和使用SoC的兩種技術(shù)方案，F(xiàn)PGA技術(shù)方案靈活度高，在出貨量低的時(shí)候NRE成本較低，但是在大批量出貨后成本可能會(huì)成為其瓶頸;而SoC則正相反，靈活度不如FPGA，NRE成本很高，但是大批量出貨后成本會(huì)具有優(yōu)勢(shì)。我們認(rèn)為，隨著智能SSD逐漸為主流認(rèn)可，一方面相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)慢慢固定下來，另一方面出貨量會(huì)逐漸變大，因此SoC方案在未來更具有吸引力。但是，F(xiàn)PGA方案并非一無是處，我們認(rèn)為不同的客戶會(huì)對(duì)于其SSD產(chǎn)品的計(jì)算和軟件具有定制化的需求。在這一方面，我們認(rèn)為最終的SoC產(chǎn)品也會(huì)需要有一定的可編程和課配置能力，從而能滿足客戶在定制化方面的需求。

　　計(jì)算存儲(chǔ)的競(jìng)爭(zhēng)格局與未來市場(chǎng)

　　隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的繼續(xù)演進(jìn)，我們認(rèn)為智能化SSD和計(jì)算存儲(chǔ)也將會(huì)繼續(xù)得到更多應(yīng)用。如前所述，目前對(duì)于計(jì)算存儲(chǔ)投入*的廠商包括傳統(tǒng)存儲(chǔ)巨頭(如三星)和初創(chuàng)公司(如ScaleFlux)等，而未來勢(shì)必會(huì)有更多的公司投入這個(gè)市場(chǎng)。

　　就競(jìng)爭(zhēng)格局來說，三星是目前主流存儲(chǔ)公司里面對(duì)于計(jì)算類存儲(chǔ)投入*的，目前已經(jīng)有產(chǎn)品出貨，未來可望也能積累最多的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，獲得領(lǐng)跑地位。其他主流廠商目前處于研發(fā)狀態(tài)，例如SK-Hynix今年早些時(shí)候和美國(guó)的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)了一款用于加速數(shù)據(jù)檢索的CSD，這是研發(fā)的一個(gè)里程碑但是尚未處于出貨狀態(tài)。當(dāng)然，由于產(chǎn)品研發(fā)總體而言屬于早期階段，初創(chuàng)公司也有機(jī)會(huì)能獲得市場(chǎng)份額。

　　對(duì)于中國(guó)公司來說，智能SSD是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。目前產(chǎn)品的門檻還不是很高，主要需要的是對(duì)于大數(shù)據(jù)任務(wù)的理解以及對(duì)于SoC設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。中國(guó)有全球*的大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)和相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)公司大客戶，同時(shí)在相關(guān)SoC設(shè)計(jì)方面中國(guó)的公司經(jīng)驗(yàn)并不弱，因此我們認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域在進(jìn)入主流之后，我們也預(yù)期會(huì)看到中國(guó)公司在市場(chǎng)上的身影。