現(xiàn)場簽售的著作作者——清華大學長聘教授、閩江學院院長舒繼武告訴大家，國內(nèi)系統(tǒng)介紹存儲領(lǐng)域的高校并不多，很多學校最多也就是把存儲系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一章。為了讓高校更多學生能更清晰了解，兩年前，清華大學團隊和華為著手聯(lián)合撰寫了這本書。
在當天峰會上，舒繼武教授還發(fā)表了題為“低存儲稅的新型存儲系統(tǒng)設(shè)計與思考”的主題演講，并提出了“存儲稅”的概念。
何為“存儲稅”？舒繼武教授表示，存儲稅，就是將支持數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用需求的過程中，享受到的容量、帶寬、以及CPU算力、軟件管理等各種服務(wù)進行分離并單獨計費。
“從2016年開始，芯片制造技術(shù)全面放緩，而網(wǎng)絡(luò)、存儲及硬件技術(shù)發(fā)展都呈現(xiàn)上升趨勢，CPU與這種發(fā)展的不匹配，帶來了存儲稅的問題。” 舒繼武教授說。
眾所周知，當前數(shù)字規(guī)模發(fā)展迅速，帶動數(shù)據(jù)量急劇增長。預計2025年我國總數(shù)據(jù)量將達到175ZB，同時，自動駕駛、VR/AR等應(yīng)用對數(shù)字的實時通訊和處理要求激增。預計到達2025年，實時性數(shù)據(jù)總量將達50ZB，在全球數(shù)據(jù)的占比將高達30%。
“存儲是數(shù)據(jù)的載體，云廠商巨頭，通過構(gòu)建超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，承載著海量數(shù)據(jù)?！笔胬^武教授舉例說，微軟Azure云存儲系統(tǒng)遍布全球59個地區(qū)，阿里云盤古云存儲系統(tǒng)有數(shù)十萬存儲節(jié)點，F(xiàn)acebook建設(shè)有EB級超大規(guī)模存儲系統(tǒng)Tectonic。
海量的數(shù)據(jù)，意味著龐大的系統(tǒng)，會產(chǎn)生相應(yīng)的問題。比如，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心，要用到各種存儲，大量的器件，一方面，傳統(tǒng)的硬盤與閃存盤，組成金字塔架構(gòu)，在性能和容量上存在數(shù)量級的差別，軟件也跟不上硬件的發(fā)展，另一方面，隨著摩爾定律的終結(jié)，芯片制造技術(shù)的發(fā)展全面放緩，但存儲、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，如數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)已正式邁入400Gbps大關(guān)，PCIe Gen5 SSD帶寬高達12GB/s。這意味著，CPU已經(jīng)成為存儲系統(tǒng)中新的性能瓶頸。而且，規(guī)模大、數(shù)度快，并不意味著一切問題的解決，至少，還有成本的問題。
高企的存儲稅影響了數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。清華大學開始了這方面的工作。
舒繼武教授表示，降低存儲稅的辦法有很多種，涉及到很多相關(guān)的技術(shù)，通常是從新接口、新能力和新編程三個角度考慮：通過硬件卸載，把應(yīng)用調(diào)配放在最適合處理它的硬件設(shè)備上，減少占用GPU的資源，基于新編程接口重構(gòu)軟件，大幅度降低開銷。
從硬件接口角度，傳統(tǒng)的SSD提供的block接口，軟件開銷效率比較低，優(yōu)化也比較難，但主要供應(yīng)商是三星、英特爾等，有一些雙接口SSD，既提供寬接口也提供自接接口，可大幅度降低效能，軟件性能也大幅度提高，代表廠商是英特爾，還有一種鍵值接口SSD，定向優(yōu)化鍵值存儲，不兼容其它軟件（如文件系統(tǒng)）主要供應(yīng)商是三星。
從硬件能力方面，雖然都是采用軟硬件協(xié)同設(shè)計方式，開放通道SSD克服了普通SSD性能和可靠性問題，性能隔離和定向優(yōu)化，但硬件需要大幅改動；分區(qū)SSD (ZNS)，優(yōu)化了普通SSD的性能和可靠性，以用軟件管理來管理，硬件改動較前者少，市場上接觸的比較快；可計算SSD具有存儲能力與計算的能力，在離存儲更近的地方計算，有的硬件甚至還具備網(wǎng)的能力，從而克服了設(shè)備與主機互連帶寬瓶頸，硬件改動更小。
在編程模型的變化方面，在硬件提升比較慢的情況下，可采取基于輪詢（polling）的編程模式，以及NVMe SSD、RDMA、DPDK等設(shè)備編程庫。此舉相對來說不存在太大難題，現(xiàn)實的情況下還可以處理新的一些事情，是比較好的方式。
針對低存儲稅的新型存儲系統(tǒng)設(shè)計，清華大學在新接口、新能力以及新編程方面都取得了一定的研究成果。
在新接口方面，有面向數(shù)據(jù)復制的RDMA新抽象: Rowan、異步內(nèi)存存儲框架: EasylO；在新能力方面，是分布式持久性內(nèi)存文件系統(tǒng)Octopus、可計算存儲設(shè)備IO棧: 入-IO和寫優(yōu)化的分布式B+樹: Sherman；新編程方面，低CPU開銷的遠程數(shù)據(jù)保序傳輸: RIO、基于RDMA原語的分布式范圍鎖: Citron和分離式內(nèi)存保護原語: Patronus。這些科研成果，都是以降低存儲稅為目的。
如新的編程框架EasylO，這項工作主要的背景是面向存算分離的架構(gòu)為主當然也包括其他的架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心。分離式內(nèi)存往往具有高時延特性，進一步加劇了CPU的等待，導致在數(shù)據(jù)搬運過程中消耗了90%的CPU資源，從而引發(fā)高昂存儲稅，清華大學在能力方面提供了的優(yōu)化的分布式的比加數(shù)，在接口方面提供了數(shù)據(jù)保護的存儲，即通過DMA引擎取代Load/Store指令，進行異步數(shù)據(jù)拷貝，并將DMA訪存的時間窗口用于執(zhí)行其他計算任務(wù)，測試結(jié)果顯示，峰值的時候CPU資源占用降低了78.5%。
當負載的寫比例增多時，吞吐率和尾延遲嚴重惡化，原因是過多的網(wǎng)絡(luò)往返、低效的RDMA網(wǎng)卡原子指令，導致現(xiàn)有索引結(jié)構(gòu)部署在分離式內(nèi)存時寫效率低下。
這就是清華大學的第二項工作——Sherman，寫優(yōu)化分布式的B+樹，它通過索引緩存，在計算端緩存樹的中間節(jié)點，減少網(wǎng)絡(luò)遠程訪問，同時也采取分層片上鎖方式，將鎖從樹節(jié)點剝離，存入網(wǎng)卡內(nèi)存，消除PCIe事務(wù)。
第三項工作是低CPU開銷的遠程數(shù)據(jù)保存?zhèn)鬏敗?/p>
順序性是存儲系統(tǒng)的重要語義，它保證了數(shù)據(jù)的可靠存儲。測試表明，為保證順序性，需要耗費12倍以上的CPU資源才能達到無序數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。為此，清華大學認為，I/O棧的分層設(shè)計加上異步并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備，使得I/O棧與CPU流水線概念上十分類似，由是決定將CPU流水線設(shè)計引入到保序I/O路徑中，盡可能避免同步操作。
總體而言，降低存儲稅方面有大量對策，包括硬件卸載、軟件重構(gòu)等等。近期，清華大學研究團隊將異步內(nèi)存存儲框架、可計算存儲設(shè)備IO棧，以及寫優(yōu)化的分布式B+樹作為研究對象并取得一定進展。
期待清華大學更多的科研成果。
“2023中國數(shù)據(jù)與存儲峰會”共吸引了近1000名業(yè)界精英和專家學者現(xiàn)場參會，圍繞“數(shù)智創(chuàng)新 AI未來”的主題，以及如何跨越數(shù)據(jù)和經(jīng)濟之間的鴻溝難題展開深度交流與研討。
作為延續(xù)了18年、業(yè)內(nèi)最具影響力的盛會之一，中國數(shù)據(jù)存儲峰會為產(chǎn)學研用專業(yè)人士提供了交流學習的平臺，也為全球存儲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗和建議；在展示中國處于全球存儲產(chǎn)業(yè)重要地位的同時，也展現(xiàn)了中國企業(yè)和科研機構(gòu)在數(shù)據(jù)與存儲領(lǐng)域不斷進步的實力。
