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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

346期2020年11月號

出版日期:2020/11/15

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全快閃儲存陣列管理技術

撰文/陳怡如

工研院研發的「全快閃儲存陣列管理技術」,每秒達到100萬次輸出入(IOPS),效能獨步全球,亮眼成果入圍2020年全球百大科技研發獎。
工研院研發的「全快閃儲存陣列管理技術」,每秒達到100萬次輸出入(IOPS),效能獨步全球,亮眼成果入圍2020年全球百大科技研發獎。

進入雲端和AI時代,資料量、運算量都以驚人速度成長,硬碟存取資料的效能至關緊要。工研院研發的「全快閃儲存陣列管理技術」(SOFA),每秒達到100萬次輸出入(IOPS),效能獨步全球,亮眼成果入圍2020年「全球百大科技研發獎」。

相較傳統硬碟,由快閃記憶體組成的固態硬碟(SSD),有著體積小、存取效率高、低噪音等優勢,因而成為明日之星。根據市調機構IDC預估,全球固態硬碟的市場規模,將從2019年的230億美元,至2023年達到447億美元。

現行企業對存取資料有高效能需求時,大多採用「全快閃儲存陣列」(All-Flash Array)的方式,也就是一種集合多個固態硬碟的資料儲存裝置。但這種方式效能雖好,卻少了資料保護的機制,一旦硬碟損壞,資料幾乎難以復原。

為了解決這個兩難問題,工研院從7、8年前便投入開發「全快閃儲存陣列管理技術」(Software Orchestrated Flash Array;SOFA),「透過我們的軟體,既可以做到完整的資料保護,又不會損失SSD該有的效能,」工研院資訊與通訊研究所組長江滄明表示。

循序取代隨機 成功解決效能硬傷

為了不斷突破存取效能,團隊在一次實驗中發現,固態硬碟若以「循序寫入」的方式操作,效能會比「隨機寫入」的存取速度來得快。工研院資通所技術經理朱怡虹進一步解釋,這和固態硬碟本身的硬體設計有關,當資料寫入後,若要再重寫時,就必須先做抹除的動作,如果是連續寫入,硬碟就可以做連續的優化;但若是隨機寫入,就無法達成連續優化。

於是團隊透過SOFA模擬一個虛擬硬碟,當資料寫入這個虛擬硬碟時,仍維持隨機寫入,使用者端不用改變,再透過「虛擬實體位址轉換技術」,將資料從隨機轉為連續寫入,「也就是用SOFA當作中介,一邊虛擬、一邊實體,一邊隨機、一邊循序,藉此提升整體效能,」朱怡虹說。

SOFA不僅能提升寫入速度,同時也減少寫入時對硬碟的耗損,延長固態硬碟使用壽命。由於固態硬碟有寫入次數的限制,一旦超過一定次數,就只能讀不能寫,透過SOFA循序寫入的設計,資料量可以平均分配到所有固態硬碟上,解決隨機寫入時,有些SSD使用次數很低、有些則因使用過高,導致寫入次數到達極限,無法再寫入的問題,成功延長固態硬碟的使用壽命達2倍。

獨家配置技術 用最小資源創造最高效能

看似理想的架構設計,卻在雲端存取時踢到鐵板。團隊發現,SOFA只能提升本地端的存取效能,對於透過網路存取資料的使用者,效能卻不能如預期般提升。深究原因,發現原來系統效能與電腦整體的運作效率息息相關,包含網路卡、網路裝置介面、主機匯流排配接器等,在運作時都會瓜分掉中央處理器(CPU)的資源,如何妥善管理CPU,達到最佳資源分配,讓整體運作效能最大化,成了團隊亟需克服的挑戰。

團隊回到電腦運作的基本面,開發獨家的動態資源配置系統,將系統要用到的CPU資源做最佳運算配置,同時綁定在相關的處理程式上。團隊持續調校效能,「對於每一個程式、每一行程式碼,使用的資料結構跟方法,都要斤斤計較,才有辦法達到想要的效能,」朱怡虹說。

最終,這項動態資源配置技術,也成了SOFA與市面上其他解決方案拉出差異的關鍵,「或許他們也可以達到相同的效能,但我們可以用最小的資源,達到最高的效能,」朱怡虹自豪的說。

透過動態資源配置技術的加值,SOFA突破現有固態硬碟陣列的效能瓶頸,能在總隨機寫入時,效能僅有每秒20萬次輸出入的固態硬碟上,提供使用者每秒100萬次以上輸出入的效能,也較現有磁碟陣列RAID5技術的效能提升10倍。

SOFA的高效管理技術,讓工研院得以以軟帶硬,協助臺灣資訊業者轉型升級,聚焦發展超高速快閃儲存系統產品。目前已成功技轉國內廠商宜鼎國際,並衍生新創公司捷鼎國際,打造臺灣第一家自有軟體開發的快閃儲存解決方案業者。未來,SOFA也能成為下世代發展AI人工智慧、企業雲端儲存、線上交易處理、線上遊戲等領域的最佳解決方案,搶先掌握未來的雲端儲存商機。

透過SOFA循序寫入的設計,資料量可以平均分配到所有固態硬碟上,成功延長固態硬碟的使用壽命達2倍。
透過SOFA循序寫入的設計,資料量可以平均分配到所有固態硬碟上,成功延長固態硬碟的使用壽命達2倍。

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