現(xiàn)場(chǎng)簽售的著作作者——清華大學(xué)長(zhǎng)聘教授、閩江學(xué)院院長(zhǎng)舒繼武告訴大家，國(guó)內(nèi)系統(tǒng)介紹存儲(chǔ)領(lǐng)域的高校并不多，很多學(xué)校最多也就是把存儲(chǔ)系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一章。為了讓高校更多學(xué)生能更清晰了解，兩年前，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)和華為著手聯(lián)合撰寫了這本書。

在當(dāng)天峰會(huì)上，舒繼武教授還發(fā)表了題為“低存儲(chǔ)稅的新型存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與思考”的主題演講，并提出了“存儲(chǔ)稅”的概念。

何為“存儲(chǔ)稅”？舒繼武教授表示，存儲(chǔ)稅，就是將支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用需求的過(guò)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(jìn)行分離并單獨(dú)計(jì)費(fèi)。

“從2016年開(kāi)始，芯片制造技術(shù)全面放緩，而網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)及硬件技術(shù)發(fā)展都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，CPU與這種發(fā)展的不匹配，帶來(lái)了存儲(chǔ)稅的問(wèn)題?！?舒繼武教授說(shuō)。

眾所周知，當(dāng)前數(shù)字規(guī)模發(fā)展迅速，帶動(dòng)數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2025年我國(guó)總數(shù)據(jù)量將達(dá)到175ZB，同時(shí)，自動(dòng)駕駛、VR/AR等應(yīng)用對(duì)數(shù)字的實(shí)時(shí)通訊和處理要求激增。預(yù)計(jì)到達(dá)2025年，實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)總量將達(dá)50ZB，在全球數(shù)據(jù)的占比將高達(dá)30%。

“存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)的載體，云廠商巨頭，通過(guò)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(shuō)，微軟Azure云存儲(chǔ)系統(tǒng)遍布全球59個(gè)地區(qū)，阿里云盤古云存儲(chǔ)系統(tǒng)有數(shù)十萬(wàn)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)acebook建設(shè)有EB級(jí)超大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)Tectonic。

海量的數(shù)據(jù)，意味著龐大的系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的問(wèn)題。比如，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心，要用到各種存儲(chǔ)，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(jí)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(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展勢(shì)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(dá)12GB/s。這意味著，CPU已經(jīng)成為存儲(chǔ)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(wèn)題的解決，至少，還有成本的問(wèn)題。

高企的存儲(chǔ)稅影響了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。清華大學(xué)開(kāi)始了這方面的工作。

舒繼武教授表示，降低存儲(chǔ)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(gè)角度考慮：通過(guò)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(kāi)銷。

從硬件接口角度，傳統(tǒng)的SSD提供的block接口，軟件開(kāi)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(chǔ)，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(jì)方式，開(kāi)放通道SSD克服了普通SSD性能和可靠性問(wèn)題，性能隔離和定向優(yōu)化，但硬件需要大幅改動(dòng)；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(lái)管理，硬件改動(dòng)較前者少，市場(chǎng)上接觸的比較快；可計(jì)算SSD具有存儲(chǔ)能力與計(jì)算的能力，在離存儲(chǔ)更近的地方計(jì)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(jī)互連帶寬瓶頸，硬件改動(dòng)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(kù)。此舉相對(duì)來(lái)說(shuō)不存在太大難題，現(xiàn)實(shí)的情況下還可以處理新的一些事情，是比較好的方式。

針對(duì)低存儲(chǔ)稅的新型存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，清華大學(xué)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(fù)制的RDMA新抽象: Rowan、異步內(nèi)存存儲(chǔ)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(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備IO棧: 入-IO和寫優(yōu)化的分布式B+樹(shù): Sherman；新編程方面，低CPU開(kāi)銷的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)保序傳輸: RIO、基于RDMA原語(yǔ)的分布式范圍鎖: Citron和分離式內(nèi)存保護(hù)原語(yǔ): Patronus。這些科研成果，都是以降低存儲(chǔ)稅為目的。

如新的編程框架EasylO，這項(xiàng)工作主要的背景是面向存算分離的架構(gòu)為主當(dāng)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(shí)延特性，進(jìn)一步加劇了CPU的等待，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)搬運(yùn)過(guò)程中消耗了90%的CPU資源，從而引發(fā)高昂存儲(chǔ)稅，清華大學(xué)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(hù)的存儲(chǔ)，即通過(guò)DMA引擎取代Load/Store指令，進(jìn)行異步數(shù)據(jù)拷貝，并將DMA訪存的時(shí)間窗口用于執(zhí)行其他計(jì)算任務(wù)，測(cè)試結(jié)果顯示，峰值的時(shí)候CPU資源占用降低了78.5%。

當(dāng)負(fù)載的寫比例增多時(shí)，吞吐率和尾延遲嚴(yán)重惡化，原因是過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)往返、低效的RDMA網(wǎng)卡原子指令，導(dǎo)致現(xiàn)有索引結(jié)構(gòu)部署在分離式內(nèi)存時(shí)寫效率低下。

這就是清華大學(xué)的第二項(xiàng)工作——Sherman，寫優(yōu)化分布式的B+樹(shù)，它通過(guò)索引緩存，在計(jì)算端緩存樹(shù)的中間節(jié)點(diǎn)，減少網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)，同時(shí)也采取分層片上鎖方式，將鎖從樹(shù)節(jié)點(diǎn)剝離，存入網(wǎng)卡內(nèi)存，消除PCIe事務(wù)。

第三項(xiàng)工作是低CPU開(kāi)銷的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)保存?zhèn)鬏敗?/p>

順序性是存儲(chǔ)系統(tǒng)的重要語(yǔ)義，它保證了數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。測(cè)試表明，為保證順序性，需要耗費(fèi)12倍以上的CPU資源才能達(dá)到無(wú)序數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。為此，清華大學(xué)認(rèn)為，I/O棧的分層設(shè)計(jì)加上異步并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)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(jì)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(chǔ)稅方面有大量對(duì)策，包括硬件卸載、軟件重構(gòu)等等。近期，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將異步內(nèi)存存儲(chǔ)框架、可計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備IO棧，以及寫優(yōu)化的分布式B+樹(shù)作為研究對(duì)象并取得一定進(jìn)展。

期待清華大學(xué)更多的科研成果。

“2023中國(guó)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)峰會(huì)”共吸引了近1000名業(yè)界精英和專家學(xué)者現(xiàn)場(chǎng)參會(huì)，圍繞“數(shù)智創(chuàng)新 AI未來(lái)”的主題，以及如何跨越數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)之間的鴻溝難題展開(kāi)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(huì)之一，中國(guó)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)峰會(huì)為產(chǎn)學(xué)研用專業(yè)人士提供了交流學(xué)習(xí)的平臺(tái)，也為全球存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和建議；在展示中國(guó)處于全球存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)重要地位的同時(shí)，也展現(xiàn)了中國(guó)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)領(lǐng)域不斷進(jìn)步的實(shí)力。

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