存儲的過去與未來 分析存儲I/O與物理定律

進入2000年後，存儲行業發生了翻天覆地的變化。有好的變化，同時也有令人不太滿意的地方。比如存儲管理方面的情況變得有些糟糕。大家要克服的種種限制，其實是由簡單物理學造成的。數據從應用程式轉移到硬體受制於計算機及其存儲硬體裡面的物理制約因素。

我們先不妨比較一下1976年、2002年和2010年各自最快的計算機和最快的磁碟存儲設備，以便更深入地了解我們在最近26年所看到的變化。

* 雖然處理器性能也許不能最準確地衡量吞吐量，但是個很好的衡量標準。

**指每秒百萬次浮點運算

***指每秒萬億次浮點運算

****讀寫操作的平均尋道和延遲時間

*****使用光纖通道RAID，使用2 Gb接口和RAID-5 8+1

******源自towww.top500.org，參照2010年6月的排名

*******使用RAID-5/6 8+1或8+2

下面比較了彼此的差異：

與系統處理器性能的提升幅度相比，尋道和延遲時間的改善幅度一向很小，快閃記憶體驅動器除外，那是由於磁碟是機械設備，但快閃記憶體驅動器取代不了所有的磁碟存儲設備。原因是快閃記憶體成本實在太高了。有些人表示，快閃記憶體驅動器密度的增加幅度夠大，有望成為切實可行的存儲設備，但我總是要問的一個問題是，快閃記憶體驅動器密度增加的速度是否與存儲增長的速度一樣快。我們都知道，答案是不一樣快。

我早在2002年就說過，存儲密度並沒有跟上系統處理器性能提升的步伐；當時至少落後兩個數量級以上，就算使用RAID-5 8+1，也是這樣。自2002年以來，這個問題變得尤為嚴重（快閃記憶體存儲設備除外）。普通硬碟（HDD）的尋道和旋轉延遲時間沒有發生太大的變化。隨著時代不斷邁進，快閃記憶體驅動器的性能將受制於整個存儲堆棧的性能。處理器中斷的成本、SAS/SATA驅動程序的訪問以及通過電纜的訪問將成為三大限制因素。

早在2002年，計算機內存系統與存儲硬體之間最常見的總線接口是PCI，當時PCI的最大速率為532MBps，但速率約1GBps的PCI-X變得普及起來。哇！很難相信：到2010年，如今性能最高的總線是16通道的PCIe 2.0，每條通道的額定速率為500MBps，也就是說全雙工速率為8Gbps；沒錯，PCIe 3.0即將來臨；但據我所知，我們在一段時間內看不到16通道的PCIe 3.0（只有8通道的PCIe 3.0），所以性能與16通道的PCIe 2.0一個樣。這是2002年性能的8倍。自2002年以來性能提升了30倍，這相當差；但截至今天，還沒有哪家存儲廠商生產出16通道的SAS/SATA /光纖通道卡。16通道插槽一般用於圖形卡，而不是用於存儲設備。目前市面上速度最快的存儲卡只是8通道，這相當於性能只提升了4倍。這不是相當差，而是非常差。

我當時還預測，考慮到磁碟驅動器是機械設備，它們不會發生太大變化；事實確實如此。如今快閃記憶體驅動器在市場上很普遍，但它們無法用於滿足所有的存儲需求，因為每吉字節成本要比普通存儲設備高得多。我曾說過，推動存儲行業發展的動力主要是消費者需求。今天看了一家知名網上零售商的報價，發現256GB容量的2.5英寸快閃記憶體驅動器售價699.00美元，而2TB容量的3.5英寸普通硬碟售價129.99美元（兩者都是消費級存儲設備，不是企業級存儲設備）。沒錯，快閃記憶體驅動器的成本是在下降，但仍有很長一段路要走。我個人認為，快閃記憶體驅動器恐怕永遠取代不了普通硬碟。

我在2002年說過：「重要的是，在可預見的將來，總體趨勢不會改變，除非你打算購買成本比普通存儲設備遠高出100倍的固態硬碟，作為你的所有存儲系統。每天在每個系統上，你都會面臨性能問題，要求你對設備提出大量請求，那樣才能獲得很高的設備利用率。」上面這個例子中的成本差異現已縮小到42倍——這個差異很大，但對大多數系統來說還是並不經濟高效。

我強調，需要有大量的I/O請求才能高效利用磁碟驅動器。這對硬碟驅動器性能，以及作業系統、協議文件系統和存儲系統的其他問題來說仍然很關鍵，因為I/O請求常常被分解成小的請求。

其實自2002年以來變化甚小——至於存儲方面，可能自1976年以來就是這樣。固態硬碟出現在世人面前已有將近30年，它與普通硬碟的成本差異現已縮小到42倍，而在早期高達1000倍。30年來已出現了大幅縮小，但是綜觀所有計算技術，從1000倍縮小至42倍還不足以為此做幾個後空翻，以示慶賀。

計算技術變化的步伐在放緩。是的，現在我們有更多的處理器核心和更高的FLOPs（每秒浮點運算次數），但那些是實際有用的FLOPs嗎？內存帶寬有沒有隨著處理器性能的提升而增加？當然，所有這些問題的答案都是否定的。隨著處理器性能和核心數量的增加，內存帶寬卻嚴重滯後，即使英特爾和AMD推出了最新的晶片組，也是如此。存儲方面更糟糕。

唯一的亮點是快閃記憶體驅動器。就算快閃記憶體驅動器的速度極快，存儲仍將是瓶頸。原因何在？我在2002年寫的那篇文章沒有提到的一大方面是軟體。存儲堆棧在過去20年裡沒有發生太大的變化。每當進行讀取或寫入操作，作業系統、文件系統、SCSI驅動程序、網絡驅動程序都參與其中。由於網絡堆棧開銷，這種情況並沒有因CIF或NFS等協議而得到任何改善。

要是存儲堆棧方面不有所變化，我認為存儲會讓位於相變內存、惠普的憶阻器（Memristor）以及實現字節尋址能力（NAND快閃記憶體無法實現）的其他技術；廠商們會改動晶片，以支持包括這些技術的存儲層次體系。

將來總是會需要存儲堆棧和磁碟驅動器，但這並不意味著，I/O操作的大部分會使用這個堆棧——即便過幾年，也是這樣。最後可能會出現這一幕：你把數據讀入到速度不如DRAM，但比快閃記憶體驅動器快得多的某種新的高密度存儲器，而存儲堆棧在系統重啟之前根本不會再讀取數據。

我不知道等這一幕變成實現時，自己是不是還在撰寫存儲方面的文章，或者甚至從事諮詢行業。