固態(tài)硬盤(pán)SSD加持“存算一體”，憶芯STAR2000如何打造國(guó)產(chǎn)高端企業(yè)級(jí)SSD方案

近日，憶芯科技發(fā)布自研的全新一代高端企業(yè)級(jí)SSD主控芯片STAR2000和企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤(pán)STAR2000E、STAR2000D。應(yīng)用于企業(yè)級(jí)市場(chǎng)，滿足服務(wù)器、云存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)中心、AI等場(chǎng)景對(duì)極致性能、可靠性、安全性的存儲(chǔ)需求。

STAR2000是行業(yè)內(nèi)首批將Arm?Cortex-A55用作CPU、首款支持NVMe 2.0、最高性能PCIe4.0的高端企業(yè)級(jí)SSD主控芯片，能為企業(yè)級(jí)SSD帶來(lái)更長(zhǎng)使用壽命、更靈活管理機(jī)制和更低的成本。同時(shí)集成了高達(dá)8TOPS算力的NPU，可以更好滿足企業(yè)級(jí)SSD“存算一體”的需求。

憶芯科技創(chuàng)始人/CEO沈飛表示，憶芯科技成立于2015年10月，從創(chuàng)立之初，就立志成為讓世界記住的偉大芯片公司，成為“芯”空中最亮的那顆星，這也是憶芯科技STAR系列命名的由來(lái)。從“平地春雷”到“風(fēng)林火山”，再到今天的“風(fēng)禾盡起”，三場(chǎng)發(fā)布會(huì)見(jiàn)證了憶芯科技從自研技術(shù)到首次商業(yè)落地再到全面商業(yè)開(kāi)花的歷程，也見(jiàn)證了憶芯科技從第一款以地球母星命名的“Earth”遠(yuǎn)航至今天發(fā)布會(huì)推出了STAR2000（Uranus）的漫漫征程。

憶芯科技創(chuàng)始人/CEO沈飛

STAR2000：12納米工藝、支持PCIe4.0、NVMe2.0等

具體到這顆芯片性能方面的細(xì)節(jié)，憶芯科技芯片首席架構(gòu)師薛立成博士進(jìn)行了分析。

在工藝選擇上，STAR2000采用12納米工藝，這是出于成本、面積、功耗的考慮，該工藝更契合PCIe4.0 SSD主控需求，未來(lái)三到五年P(guān)CIe4.0SSD占據(jù)市場(chǎng)主流，成熟度高。

據(jù)了解，整個(gè)SSD主控芯片所有核心的IP都是憶芯團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)和設(shè)計(jì)。薛立成認(rèn)為，自主研發(fā)帶來(lái)的好處，一是技術(shù)有競(jìng)爭(zhēng)力，二是產(chǎn)品持續(xù)迭代的能力強(qiáng)，同時(shí)自主研發(fā)帶來(lái)產(chǎn)品的多樣性和差異化，例如STAR2000對(duì)存算一體的支持。

該芯片支持NVMe2.0協(xié)議，使得SSD具有一些新的特性，包括分區(qū)命名空間，可以有效地減少客戶對(duì)磁盤(pán)的寫(xiě)入數(shù)量，Endurance Croup管理可以為多用戶、多應(yīng)用提供與之匹配的性能。

讀寫(xiě)性能上，STAR2000的順序讀性能為7200MB/S，順序?qū)懶阅転?800MB/S；對(duì)應(yīng)參數(shù)分別為上一代產(chǎn)品的120%和300%；隨機(jī)讀性能為1750K IOPS，穩(wěn)定隨機(jī)寫(xiě)性能為550K IOPS，對(duì)應(yīng)參數(shù)分別為上一代產(chǎn)品的318%和230%。

STAR2000將存儲(chǔ)和計(jì)算進(jìn)行融合。薛立成表示，STAR2000集成8TOPS算力NPU，同時(shí)在片上實(shí)現(xiàn)硬件卷積、加速模塊，結(jié)合片上強(qiáng)大的CPU系統(tǒng)和支持NVMe2.0協(xié)議里面的KV特性，可以做出存算一體SSD。

圖源：電子發(fā)燒友網(wǎng)拍攝

“通過(guò)KV的特性，可以有效的減少用戶API到我們盤(pán)上的訪問(wèn)路徑。同時(shí)在芯片上，利用強(qiáng)大的算力計(jì)算，通過(guò)這些數(shù)據(jù)，我們可以把原來(lái)要先在主機(jī)端運(yùn)算的運(yùn)算工作下沉到盤(pán)上，并且把盤(pán)上的結(jié)果返還給主機(jī)，釋放主機(jī)的計(jì)算壓力。”薛立成說(shuō)道。

此外，STAR2000能夠?yàn)榭尚庞?jì)算提供可信根，支持商密和國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)SM2/SM3/SM4，支持可信啟動(dòng)、支持獨(dú)立盤(pán)級(jí)TPCM，支持系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信息上報(bào)可信中心，支持命名空間層的可信保護(hù)等功能。

數(shù)據(jù)閃存顆粒的老化和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間變長(zhǎng)，甚至外界溫度的變化，都會(huì)導(dǎo)致芯片上的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了能夠保證數(shù)據(jù)正確讀取的可靠性，憶芯在磁盤(pán)和主控芯片上提供可靠、完整的方案，包括SSD支持端到端的數(shù)據(jù)保護(hù)，磁盤(pán)上所有的SRAM和DRAM都有ECC保護(hù)。為了應(yīng)對(duì)閃存出現(xiàn)錯(cuò)誤，主控芯片提供4KB碼長(zhǎng)的LDPC糾錯(cuò)編碼，同時(shí)可以支持最高4Bit的軟Bit譯碼，讓錯(cuò)誤無(wú)處遁形。為了應(yīng)對(duì)更極端、更惡劣的環(huán)境錯(cuò)誤，主控芯片上還提供RAID6的數(shù)據(jù)保護(hù)，即使SSD的盤(pán)上有一塊存儲(chǔ)顆粒損壞，也可以把盤(pán)上所有的數(shù)據(jù)恢復(fù)回來(lái)。

除了STAR2000主控芯片的發(fā)布之外，現(xiàn)場(chǎng)還發(fā)布了高可靠版本STAR2008及高安全版本STAR2010，該系列主控芯片除通用數(shù)據(jù)中心之外，還可面向加固設(shè)備、可移動(dòng)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、惡劣環(huán)境存儲(chǔ)設(shè)備、個(gè)人電腦等場(chǎng)景。

基于STAR2000主控芯片，憶芯科技展示了自研的最新一代PCIe4.0高性能企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤(pán)STAR2000E。憶芯科技軟件首席架構(gòu)師程雪表示，STAR2000E主要面向數(shù)據(jù)中心、存儲(chǔ)服務(wù)器、云計(jì)算等市場(chǎng)，在一級(jí)國(guó)密安全、可信計(jì)算、固件加密和簽名驗(yàn)簽等高規(guī)格下，更能助力數(shù)據(jù)中心安全性提升。同時(shí)STAR2000E支持ZNS/NVMe Set/KV等先進(jìn)企業(yè)級(jí)功能，能夠提供更優(yōu)的系統(tǒng)存儲(chǔ)方案，將在批量化生產(chǎn)與商業(yè)化落地方面具備極高競(jìng)爭(zhēng)力。

SSD如何將計(jì)算與存儲(chǔ)巧妙融合？

STAR2000真正的核心計(jì)算分兩個(gè)部分，一是Arm自帶的浮點(diǎn)加速體系，可以為定制化的、專用的數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行加速；還有內(nèi)嵌的AI NPU，8TOPS算力，主要是進(jìn)行AI的檢測(cè)分類網(wǎng)絡(luò)直接部署，也適配于現(xiàn)在市場(chǎng)上主流AI的研發(fā)方向。二是憶芯自研的矩陣計(jì)算、統(tǒng)計(jì)計(jì)算和數(shù)據(jù)索引的一系列加速器，這些都是做數(shù)據(jù)庫(kù)業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的加速手段，可稱為領(lǐng)域定制化設(shè)計(jì)。

把不同功能的硬件加速流片在一顆芯片上同時(shí)加以實(shí)現(xiàn)，保證數(shù)據(jù)通訊和交互的高效、節(jié)能，這是憶芯在架構(gòu)上的創(chuàng)新。

為了讓STAR2000搭載的8TOPSNPU模塊和實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積的加速模塊發(fā)揮極致性能，憶芯科技提出StarCompute存算一體架構(gòu)。程雪解析，通常SSD插在電腦上客戶運(yùn)行算法程序，將獲得6.8GB/s的性能，也就是PCIe傳輸通道的速率。如果將算法程序下沉到SSD里面來(lái)運(yùn)行，SSD有強(qiáng)大的計(jì)算能力，也可以做硬件加速。以8TSSD為例，可以獲得11GB/s帶寬。

同時(shí)，如果客戶的算法程序運(yùn)行在計(jì)算CPU上，也會(huì)開(kāi)發(fā)一些SDK，允許調(diào)用8TOPS NPU模塊，還會(huì)提供StorageLink片內(nèi)存儲(chǔ)接口，通過(guò)這個(gè)接口計(jì)算CPU程序可以獲得高達(dá)11G或者更高的存儲(chǔ)帶寬。

憶芯首席AI科學(xué)家孫唐博士解析，STAR2000片上共28顆CPU, 其中8核A55頻率為1.8GHz，拆分成計(jì)算簇和存儲(chǔ)簇，用于管理系統(tǒng)，星辰CPU做閃存通道控制的執(zhí)行，根據(jù)相應(yīng)的命令，把不同的數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的閃存通道，16個(gè)通道每個(gè)通道都有一顆，前端還有軟件定義的存儲(chǔ)命令分發(fā)器，也有4個(gè)CPU，這28顆CPU負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度和管理。

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實(shí)現(xiàn)存算一體的融合，好處是整體計(jì)算效率相比主機(jī)，能耗降低15-30倍；整體交互效率高至接近主機(jī)端的4倍以上，這就是STAR2000D可計(jì)算存儲(chǔ)帶來(lái)的基礎(chǔ)能力提升。

在一個(gè)以圖搜圖的場(chǎng)景中，四五百萬(wàn)人的數(shù)據(jù)底庫(kù)的存儲(chǔ)容量上只需要花不到1秒鐘的時(shí)間就可以找到和搜索目標(biāo)最相似的人員。

另一個(gè)例子是，某個(gè)接近千萬(wàn)人口的地級(jí)市，每三個(gè)月產(chǎn)生的人臉數(shù)據(jù)量達(dá)到了15000Tb，如果要在海量的數(shù)據(jù)中，找出某一個(gè)人員某一天的行動(dòng)軌跡。如果用現(xiàn)有的百億人像秒級(jí)比照系統(tǒng)，要把這15000Tb數(shù)據(jù)，從原來(lái)的硬盤(pán)導(dǎo)到原來(lái)的人像比對(duì)系統(tǒng)里都要三天半。但通過(guò)STAR2000D方案，在盤(pán)內(nèi)完成AI計(jì)算、模式比對(duì)、結(jié)果排序、按時(shí)間空間過(guò)濾和最終輸出。15000Tb的數(shù)據(jù)量可以已經(jīng)分100萬(wàn)類，最終只需要輸出150Mb的數(shù)據(jù)，就可以完成同樣的目標(biāo)。

孫唐進(jìn)一步分析，實(shí)際應(yīng)用中，不僅需要人工智能的分析，也包含了大量業(yè)務(wù)處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和加載，數(shù)據(jù)讀出以后，還要進(jìn)行檢索和比對(duì)；而在不同的應(yīng)用中，我們需要用到不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，而不同的數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索和比對(duì)的形式是完全不同的。

對(duì)于這樣的場(chǎng)景，憶芯是如何來(lái)加速對(duì)應(yīng)的AI處理的呢？

AI為我們的千業(yè)百態(tài)提供了添加標(biāo)簽的能力，而這些標(biāo)簽代表了不同的數(shù)據(jù)，找到標(biāo)簽之后，通過(guò)聚類，存儲(chǔ)到不同的存儲(chǔ)空間領(lǐng)域，這時(shí)候如果有人想要檢索一個(gè)目標(biāo)，他只需要讀取特定領(lǐng)域的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，就可以完成一次檢索。

在海量的大數(shù)據(jù)前提下，整體上的聚類數(shù)據(jù)雖然存儲(chǔ)在介質(zhì)中，它在同一個(gè)區(qū)域，但是通過(guò)索引檢索的時(shí)候，返回的是海量的相同標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，憶芯科技也是首創(chuàng)地在芯片上引入了比對(duì)計(jì)算加速，可以在芯片中直接找到最符合的目標(biāo)，再把這個(gè)數(shù)據(jù)交給用戶，極大地降低了整體傳輸?shù)膸捄陀?jì)算所需要的性能開(kāi)銷。

比較整體系統(tǒng)成本，傳統(tǒng)的百萬(wàn)級(jí)別的以圖搜圖的應(yīng)用需要用到一臺(tái)將近三四千美金的服務(wù)器，12核CPU以及高達(dá)128T算力的GPU，而在發(fā)布會(huì)展示的憶芯的存算融合一體機(jī)上，僅需要1/4的成本，就可以做到同等性能的業(yè)務(wù)實(shí)施。而通過(guò)STAR2000D內(nèi)置的CPU、板載的內(nèi)存、片上的8T 算力NPU以及高性能SSD存儲(chǔ)應(yīng)用，可以把成本從服務(wù)器方案的1/4再縮減近一半。孫唐說(shuō)，這對(duì)業(yè)內(nèi)來(lái)說(shuō)是一個(gè)顛覆性的創(chuàng)新，會(huì)對(duì)整個(gè)業(yè)態(tài)產(chǎn)生更具想象力的市場(chǎng)影響。

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憶芯科技從2016年開(kāi)始進(jìn)行基于存儲(chǔ)控制器的計(jì)算加速方面的研發(fā)，并申請(qǐng)DeepSSD商標(biāo)，申請(qǐng)了一系列國(guó)際國(guó)內(nèi)專利。在人工智能實(shí)際落地過(guò)程中，AI模型不僅需要推理高效，同時(shí)還要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。信息交互的極簡(jiǎn)之道是存算融合，憶芯也將繼續(xù)投入存算一體技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)。

已與多家大型企業(yè)合作，應(yīng)用前景廣闊

憶芯科技擁有“主控+固件+算法+模組”的全方案整合能力和深度的定制化開(kāi)發(fā)能力，為客戶提供全棧式企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)方案。目前，多家知名廠商已經(jīng)與憶芯展開(kāi)合作。

神州數(shù)碼與憶芯科技在信創(chuàng)市場(chǎng)展開(kāi)合作。憶芯科技是神州數(shù)碼重要的數(shù)字化轉(zhuǎn)型合作伙伴，今后雙方將在國(guó)防、安平、政府、金融、運(yùn)營(yíng)商等多方面展開(kāi)全面合作，共助信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

百度和憶芯科技開(kāi)展了多項(xiàng)合作，雙方將于2023年推出NVMe Gen4 高性能企業(yè)級(jí)SSD應(yīng)用來(lái)提升搜索速度和存儲(chǔ)效率，并推進(jìn)ZNS、KV技術(shù)應(yīng)用商業(yè)化，滿足更復(fù)雜化和多樣化的數(shù)據(jù)存算。2024年，百度還將在數(shù)據(jù)中心導(dǎo)入SSD產(chǎn)品，全力滿足云時(shí)代的智能存儲(chǔ)。這些都表明，云時(shí)代的下半場(chǎng)就是存儲(chǔ)的較量。

科大訊飛聯(lián)合創(chuàng)始人/聆思科技董事長(zhǎng)胡郁表示，數(shù)據(jù)是構(gòu)成元宇宙的基本元素，算力則支撐著元宇宙虛擬內(nèi)容的創(chuàng)作與體驗(yàn)，更加真實(shí)的建模與交互。因此，他非常期待未來(lái)與憶芯開(kāi)展更多精彩的創(chuàng)新與合作，讓存算一體芯片在元宇宙應(yīng)用中得到更大發(fā)展。

據(jù)透露，憶芯科技的下一代產(chǎn)品將是一款面向數(shù)據(jù)中心的SSD主控芯片STAR1500（Moon），這顆芯片將首次采用更先進(jìn)的工藝，支持PCIe5.0接口，以及片上自研的所有核心IP，整個(gè)芯片的架構(gòu)將不斷的升級(jí)，保證提供給客戶更好的性能表現(xiàn)。

在大數(shù)據(jù)、人工智能產(chǎn)業(yè)日益蓬勃的當(dāng)下，憶芯科技也呼吁產(chǎn)業(yè)鏈上下游攜手推進(jìn)計(jì)算、存儲(chǔ)、人工智能之間的高效溝通，構(gòu)建高性能存算融合的企業(yè)級(jí)應(yīng)用以及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。