Intel宫兴斌：Optane搭配QLC加速数据中心存储变革

2018年12月12日，中国存储与数据峰会第二天的闪存存储与应用论坛上，英特尔(中国)首席存储架构师宫兴斌介绍了Optane搭配QLC加速数据中心变革的话题，短短几分钟的介绍能感受到英特尔在新技术上的创新性和引领性，一场以闪存介质创新为由掀起的数据中心存储架构变革已近在眼前。

英特尔(中国)首席存储架构师宫兴斌

从SLC，到MLC到TLC到现在的QLC，不断创新的NAND存储技术让SSD容量越来越高，但QLC本身有很多问题，将QLC从实验室拿到实际应用中本身很有挑战性。

Intel独有的基于3D Xpoint的Optane有仅次于DRAM的性能，耐久性、稳定性、延迟等表现也远超普通3D NAND SSD，如此特性与3D QLC NAND SSD搭配互补竟有神奇的变化，全新的方案在将存储各项性能大大提升的同时，而且不给用户带来额外的成本负担。如此加量不加价的方案势必在数据中心掀起一股波澜。

以下内容由笔者根据现场速记整理精简校对，供读者参考学习，如发现有遗漏错误，还请在文末留言批评指正：

宫兴斌：很高兴在这里跟大家分享我们看到的存储行业最新的一些技术，希望透过这些产品方案能帮助大家看到未来数据中心的变化趋势。

从SLC到MLC到TLC，现在终于到了QLC，虽然QLC有一些缺点，但我们还是对它充满了期待，因为QLC能大大降低成本，如今的数据中心成本仍旧非常重要，如何降低成本对用户很重要。

我们正处于数据爆炸的时代，数据分析非常慢，我们从容量、性能、成本三个角度看存储，DARM性能是最好的，但容量受限，成本也太高，容量扩展受限。NAND能够提供大容量存储，比DARM要便宜的多，但性能比较差，HDD（磁盘）最便宜的介质，TCO是比较好，但性能更差一些。

想要从每天获取的海量数据中提取一点有用的信息时，当前的整个架构存在差距。

Intel关注两种存储技术：

第一种，低成本、高密度的基于3D NAND的产品，解决数据中心容量型数据存储问题。另外一种是傲腾高性能存储，主要用于数据中心热点数据的存放。英特尔用3D NAND挤压磁盘市场，作为新的发展方向，未来基于QLC的Ruler容量会越来越大，外形上会推出短尺子的版本。

现在的数据中心对空间、功耗、制冷要求都很高，大家希望用1U的空间就能够存放1个PB的数据，这就是尺子的应用场景。

Optane是一种全新的存储介质，它跟之前的NAND很不一样，NAND的读写方式和后台垃圾回收需要很多操作。Optane的存储介质不存在垃圾回收操作，优势在于它的读写IO是均衡的，随机读和随机写都能够做到一样的IOPS。

从延时的角度看，Optane采用的介质延时比较低，延时表现不在乎是随机读还是随机写，即使是在很严重的写的情况下，读延时依然很低，依然可以做到10个微秒左右。

Optane采用的介质即使在很低的延时下依然有很高的QoS表现，带宽可以很高，使用寿命也很高。

使用任何一种新技术都需要做很多工作，当我最开始做SSD的时候，很多用户就问我拿到SSD是不是可以马上提升性能，实际上还有很多工作需要去做。这里我们讲有三步，第一步部署产品，第二个做优化，第三个是进化。

部署部分，我们先考虑本地存储怎么做？我们可以基于Optane加上自己的Cache软件或者SPDK来做本地优化加速存储。第二种，可以用Intel的内存驱动技术去做内存的扩展。第三个，可以针对远端的存储，比如SAN存储做本地的Cache，这种组合解决Optane性能好但容量有限的问题。

QLC随机读写会存在一些问题，寿命也不如TLC，但顺序读可以弥补以上缺陷。高性能的Optane加上大容量的QLC NAND产品降低成本达到一个均衡状态。

如图可见，第一个图可以看到所谓的响应能力，这个图在说，当我们在写的负载越来越大情况下的延迟表现，灰色曲线是英特尔基于NAND的产品，它会随着写的增大，平均读的延时线性增加的，而且抖动很大。横轴蓝线是Optane的延迟表现，高负载下延时依然维持着一条水平线。

我们看一款产品的延时，不是看纯读或者纯写下的表现。Optane现在可达到60个DWPD，非常适合做Cache。用户只需要一块375G的Optane就能够做大容量存储的Cache，无论性能还是寿命，都比用NAND做Cache好的多，效果和投资回报率都要好很多。

上图中，我采用IMDT软件将Optane当内存使用，可以替换一些昂贵的DRAM。

Spark是一个典型吃内存的场景，Optane加上IMDT把原始内存扩大，尽量让所有数据都放在扩展内存里面，这样就减少了数据逐渐上层迁移的过程，这样可以主机充分利用内存，可以起更多线程，降低处理时间。从图中可见，原来可能需要66分钟的操作，现在只需要13分钟，相对于之前的运行时间缩短了5倍。

Intel除了在存储硬件方面的积累，还有个强项在于可以做各种应用的优化，任何一个新的硬件技术，没有做优化很难发挥性能，这种优化无处不在。      

下图展示的是优化带来的好处，之前如果采用文件系统的Buffered  I/O，基准线可以看到横轴，现在使用的EXT4的特性优化，最高性能可以提升48%。

怎么去优化呢？

Intel可以帮助大家，Intel提供了很多优化工具，包括SPDK、SSM、PMDK，另外Intel也提供了很多在线实验环境，让大家能够真正地去感受。可以通过https://www.acceleratewithoptane.com/这个网站去验证Optane的产品性能。

Ruler第一代是由Intel来主导的，后续像国外的Facebook、谷歌、微软都有这样的需求，所以接下来出现一个新的接口edsff。早期的SSD有一些私有协议，当NVMe出来以后，我意识到我们已经进入了NVMe时代，NVMe以生态为目标，各种OS都可以支持NVMe驱动，有健康的生态产品才会做好，用户才会用的更好。

我非常同意QLC降低用户使用成本的说法，但需要找到适用的场景，哪些场景会比较适合QLC？

通常在温数据存储下，都是TLC NAND和HDD搭配使用，TLC SSD用做缓存，这时候其实就可以把他们全都换成QLC的产品，通过这种换的方式可以大大缓解以前HDD访问速度慢的问题，同时可以让整体性能更加一致，会比之前的从TLC+HDD提升的更好。

Intel有两种QLC的产品：一个是P4320，一个是P4326。

QLC Optane

这里有一个实际应用案例。腾讯CDN应用中，原来的缓存用的是3D TLC NAND，容量层用的是传统的HDD。腾讯的CDN通过把TLC和HDD换成QLC的3D NAND产品，一方面性能得以提升，而且能降低使用成本。

灵活性方面，去年发布的处理器平台对NVMe的支持会更好，解决了之前NVMe没法做Raid的问题。但我们的应用当中会有很多临时数据需要存储，存储当中会涉及一些分层，有一些需要做缓存的使用场景，这可以通过我们的P4800X去做。对于远端的存储，我们推荐采用QLC的3D NAND SSD。

下面vSAN的案例中，原来我会用Intel的P4610做Cache，用Intel SSD DC4510做容量存储，我现在Cache层用Optane，用QLC的D5-P4320做容量存储，它带来的好处就是4倍的IOPS，降低了4倍的延时。新的组合当中，整个TCO下降了10%。

我们看到，在一些应用当中，完全可以通过Optane+QLC的组合替换TLC加上磁盘的组合，有了Optane做Cache，还可以把一些小的IO做整理，降低写的次数，减少写放大，提升QLC盘的使用寿命。

在Ceph的场景中，原来所有的存储都是用四块8TB的TLC SSD，现在采用四块8TB的Intel QLC SSD，加上一块750G的Optane P4800，会发生什么呢？首先是读和写的P99延时降低了50%，IOPS升了40%，Optane P4800用作cache，QLC NAND SSD用做容量存储，然而，两种方案的成本非常相近的，成本相差2%左右。

最后我们看一下DRAM、Peristent memory和SSD对比。这三者对比，最主要在于能够帮助大家在不同的应用选择合适的产品。从这张图来看，如果原来我采用NAND产品，现在不做任何优化，只换一个新的Optane产品，性能提升可能只有30%。

做一些软件上的优化，它的性能提升到2.5倍。如果采用Peristent memory去做优化，这个性能提升可以达到9倍，也就是说，通过新的Optane技术，能够把很多应用架构重新改写。

最后给大家看一下优化相关的各种资源，这里大家都可以上网去找，包括SPDK、SSM、PMDK，你可以登陆这个网站熟悉Optane和一些软件优化相关信息。

今天我的分享就到这里，谢谢大家！

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