平頭哥鎮(zhèn)岳510如何提升SSD響應(yīng)速度

編者按：數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大和數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，存儲(chǔ)技術(shù)的重要性日益顯著，?直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行性能、效率和安全可靠。?基于平頭哥在存儲(chǔ)主控芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)踐，策劃推出存儲(chǔ)技術(shù)專欄系列——【存儲(chǔ)技談】，共同探討存儲(chǔ)發(fā)展趨勢(shì)。

在上一篇存儲(chǔ)技談中，我們重點(diǎn)闡述了平頭哥技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)軟硬件的合理分工和流程優(yōu)化等創(chuàng)新，在鎮(zhèn)岳510存儲(chǔ)主控芯片上實(shí)現(xiàn)了4μs的超低4K IO Write Latency，而在SSD（固態(tài)硬盤）主控芯片中，還有一個(gè)關(guān)于時(shí)延的重要性能指標(biāo)是E2E（End-to-End，端到端）時(shí)延，也能直接影響到SSD的響應(yīng)速度。

E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)一般用于測(cè)量數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序發(fā)送請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)SSD的處理，直到數(shù)據(jù)最終返回給應(yīng)用程序所需的時(shí)間。這一過(guò)程涉及多個(gè)階段，包括命令的接收、數(shù)據(jù)的讀取/寫入、以及結(jié)果的返回等，直接反映了用戶應(yīng)用在與存儲(chǔ)設(shè)備交互時(shí)所經(jīng)歷的實(shí)際延遲，幫助開發(fā)者和用戶直觀了解SSD在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

不同階段的時(shí)延統(tǒng)計(jì)，能很好的幫助定位系統(tǒng)QoS時(shí)延問(wèn)題，從而進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化提升。從主機(jī)Host抓取E2E時(shí)延，可以界定主機(jī)側(cè)發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)尾時(shí)延是否在盤內(nèi)產(chǎn)生。從SSD盤內(nèi)抓取E2E在IO處理路徑不同階段的分解時(shí)延，可以輔助性能調(diào)優(yōu)進(jìn)行問(wèn)題定位。E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)是SSD開發(fā)必不可少的一項(xiàng)功能。

01傳統(tǒng)E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)造成額外開銷和測(cè)量誤差

傳統(tǒng)方案中，E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)往往依賴于固件中的軟件實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)一個(gè)I/O命令被提交給SSD時(shí)，控制器會(huì)記錄一個(gè)時(shí)間戳；隨后，在各個(gè)處理階段，如命令解析、地址映射、實(shí)際讀寫操作等，可能會(huì)再次記錄時(shí)間戳以跟蹤進(jìn)度，以計(jì)算各個(gè)分段時(shí)延；最后，當(dāng)命令完成并發(fā)送CQE（Completion Queue Entry）回主機(jī)時(shí)，再進(jìn)行總時(shí)延的計(jì)算。

這種統(tǒng)計(jì)方法不僅增加了額外的軟件開銷，并可能導(dǎo)致一定的測(cè)量誤差。軟件進(jìn)行時(shí)間戳抓取與硬件數(shù)據(jù)處理并不同步，如果硬件的數(shù)據(jù)處理和控制信息狀態(tài)更新異步，軟件統(tǒng)計(jì)的I/O命令完成時(shí)間就會(huì)存在較大誤差。

02基于硬件輔助的E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)更精準(zhǔn)高效

為了更精確且高效地進(jìn)行E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)，平頭哥技術(shù)團(tuán)隊(duì)在鎮(zhèn)岳510主控芯片的設(shè)計(jì)中，引入了硬件級(jí)別支持來(lái)提升效能，也即利用專用硬件模塊來(lái)自動(dòng)捕獲和管理時(shí)間戳，從而避免了軟件干預(yù)帶來(lái)的額外延遲和資源消耗。

具體的系統(tǒng)方案包括以下四個(gè)步驟：

時(shí)間戳捕捉：

硬件可以在接收到來(lái)自主機(jī)的SQE（Submission Queue Entry）時(shí)立即記錄時(shí)間戳，并在最終將CQE送回主機(jī)之前再次記錄時(shí)間戳。

全局時(shí)間同步：

確保所有內(nèi)部處理單元使用同一基準(zhǔn)時(shí)間源，以便能夠準(zhǔn)確地比較不同階段的時(shí)間差。

分段時(shí)延測(cè)量：

除了整體E2E時(shí)延外，還可以針對(duì)SSD內(nèi)部的不同處理步驟（例如前端命令解析、FTL映射查詢、BE后端命令執(zhí)行等）硬件支持單獨(dú)進(jìn)行時(shí)延統(tǒng)計(jì)，幫助識(shí)別性能瓶頸。

異常檢測(cè)與報(bào)告：

如果某個(gè)I/O命令的處理超過(guò)了預(yù)設(shè)的時(shí)延閾值，硬件可以觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，將相關(guān)信息傳遞給固件進(jìn)行進(jìn)一步分析。

平頭哥鎮(zhèn)岳510時(shí)延統(tǒng)計(jì)方案示意圖

通過(guò)如上的硬件輔助方法，不僅可以獲得更加精確的E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，還能有效減少因頻繁時(shí)間戳記錄而造成的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)提供足夠的靈活性用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和性能調(diào)優(yōu)，在精確性和時(shí)效性上實(shí)現(xiàn)了雙重提升。

03精準(zhǔn)的E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)可發(fā)揮重要價(jià)值

E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)的精確性和時(shí)效性，不僅影響著應(yīng)用程序的響應(yīng)速度，還可能對(duì)整體系統(tǒng)吞吐量產(chǎn)生重大影響。

在云計(jì)算環(huán)境中，大量用戶同時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)資源，E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)可以幫助監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，?duì)于平衡負(fù)載和保證響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要；在科學(xué)計(jì)算或模擬等高性能計(jì)算應(yīng)用中，E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)能夠確保數(shù)據(jù)交換的高效性，減少計(jì)算等待時(shí)間，從而加速整體計(jì)算效率；而在金融交易、視頻流處理和在線游戲等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和處理的場(chǎng)景中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)E2E時(shí)延有助于確保系統(tǒng)的高可用性和快速響應(yīng)。

隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展，通過(guò)優(yōu)化SSD主控產(chǎn)品中的E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)，能夠顯著提升性能，同時(shí)，基于這些數(shù)據(jù)的深入分析與應(yīng)用也可以為終端用戶帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)。因此，關(guān)注和優(yōu)化E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)不僅是提升系統(tǒng)性能的必要舉措，也是增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的重要手段。

平頭哥鎮(zhèn)岳510通過(guò)創(chuàng)新的E2E時(shí)延統(tǒng)計(jì)方案，有效地提升了SSD在實(shí)際應(yīng)用中的響應(yīng)速度和性能表現(xiàn)，從而為云計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)、人工智能等場(chǎng)景提供領(lǐng)先的存儲(chǔ)服務(wù)支持。

更多技術(shù)亮點(diǎn)和創(chuàng)新方案，后續(xù)我們將持續(xù)展開闡釋，敬請(qǐng)關(guān)注。