11月1日，在2023云棲大會上，阿里巴巴平頭哥發布旗下首顆為云計算場景深度定制的SSD主控芯片鎮岳510，正式進軍企業級SSD市場！
平頭哥這顆SSD芯片
從性能看，可以支持3400K IOPS的能力，在業界屬于第一梯隊。一枚鎮岳510的性能，相當于1萬塊高性能HDD的性能總和。
從能效比來說，每瓦功耗可提供420K IOPS的性能，是業界領先水平。
從時延角度看，實現了業界領先的超低的時延（4μs），比業界SSD降低30%以上。
從可靠性來說，誤碼率低至10^-18的UBER，相當于每讀取百億億筆數據，才可能有一筆數據糾錯失敗，比業內標桿領先一個數量級。
從第一款當時全球性能最強的AI專用芯片含光800，到高性能RISC-V架構處理器玄鐵910，再到首款CPU芯片倚天710，平頭哥在給自家產品的取名上，就偏愛用中國上古和武俠中的“神兵利劍”來命名。而這次的鎮岳510，更是玄鐵所鑄的高性能、高可靠、高能效及低延時的鎮岳利劍！
阿里盤古遇上鎮岳，必將所向披靡！平頭哥SSD產品負責人周冠鋒透露說，鎮岳510馬上就要進入量產階段，將率先在阿里云數據中心部署。這顆取名鎮岳510的芯片，定位于高端大端口企業級SSD，可應用于AI、在線分析、在線交易、大數據分析、高性能數據庫等云上應用場景。
01 首顆SSD芯片是如何煉成的
為什么這個時間點推出？
算力、網力、存力，共同構筑了云計算的基礎。在云服務和AI計算需求逐漸旺盛的背景下，芯片的布局不僅關系著云廠商的成本，更是企業生態發展的重要一步。
為了滿足云上業務的迅猛發展，網絡正從25GE、100GE、200GE快速演進，并將進入400GE、800GE時代。而以SSD為代表的存力，同樣面臨著新的挑戰和訴求。
SSD是計算機系統的核心存儲部件，涵蓋閃存芯片（數據的最終存儲地）、內存芯片（用于暫存SSD內的眾多管理表項、數據緩存）以及SSD主控芯片。SSD主控芯片是SSD的大腦，負責主機交互、協議解析與執行、數據讀寫、數據糾錯、數據管理、后臺任務、帶外管理等?？梢哉f，SSD的功能、性能與可靠性均由其實現。
SSD每隔三四年會進行一次產品迭代演進。之前會從PCle3.0、 PCle4.0到今天，2023年是SSD從PCle4.0到PCle5.0的一個演進節點。
周冠鋒表示：“因此，平頭哥就提前規劃了這顆PCle5.0的SSD芯片來應對市場上的這個趨勢?！?/p>
鎮岳510，是一顆怎樣的芯片？
鎮岳510采用平頭哥自研的芯片架構，內置高性能的玄鐵910 RISC-V多核CPU，采用平頭哥自研緊耦合芯片架構，對SSD任務進行高度抽象，可固化任務硬化為加速算子以提升性能。FTL關鍵任務則運行于玄鐵910CPU以保持靈活性。
整個資源架構里面大量的采用了硬件加速模塊，可以實現非常高的性能，實現了很高的能效比。因為獨創設計了創新的前端IO硬件自動處理機制，由專用硬件模塊自動完成，實現了業界領先的超低的時延（4μs），比業界SSD降低30%以上。不僅如此，鎮岳510芯片內實現了IO/SYS/GC的全鏈路隔離，極大的降低這些任務之間的相互干擾，提供了既低又穩定的時延表現。
此外，鎮岳510內置平頭哥自研的高性能LDPC糾錯算法，編碼效率逼近香農極限，同時ErrorFlow相比業內SSD更優一個數量級；同時借助平頭哥自研閃存電壓預測算法，可以在各種閃存的不同工況、壽命、溫度等條件下，準確預測閃存電壓漂移，進一步降低LDPC解碼器的輸入誤碼率。其實現了低至10^-18的UBER，相當于每讀取百億億筆數據，才可能有一筆數據糾錯失敗。
綠色、減碳是云數據中心的一貫追求。以更低的功耗，提供更高的性能，是SSD的重要挑戰。鎮岳510每秒可處理高達340萬筆IO，一枚鎮岳510的性能，相當于1萬塊高性能HDD的性能總和。
此外鎮岳510擁有極高的能效比，每瓦功耗可提供42萬筆IO訪問。以一個部署了10萬塊SSD的數據中心為例，相比目前主流的PCIe 4.0SSD，鎮岳510在相同的性能下，僅主控芯片即每年節省260萬度電，按照一度電排放0.785千克二氧化碳計算，每年可減少二氧化碳排放2千噸。
平衡靈活性和高效能的關鍵：軟硬件協同發展
SSD主控芯片其實也是一種SOC, 它內部既有硬件模塊，也有CPU核。事實上，SSD主控芯片并不是一種標準化的設計，每一家公司的設計方案都不太相同。業界SSD主控芯片的架構設計有兩大趨勢，一種類似純SOC, 即由軟件主打的設計方案；另一類是軟硬件結合的設計方案。
鎮岳510屬于后者。
周冠鋒介紹說，鎮岳510自2021年上半年立項后，耗費了非常長的時間去反復論證芯片的架構設計。芯片設計其實是一個權衡的過程，如果把過多的功能卸載，使用硬件加速來實現的話，那么這顆芯片的靈活性就會比較差。但如果把過多的功能交由CPU軟件來使用的話，它的靈活性同樣會比較差。如果既能通過硬件加速獲得高效的同時，仍能保留使用CPU來運行一些關鍵的軟件任務，這樣獲得的靈活性將會大大提高。
鎮岳510采用的是平頭哥自研的芯片架構。這顆芯片支持PCle5.0的主機接口，支持DDR5.0的內存接口，內置了高性能的RISC-V CPU。此外，整個資源架構里面采用了比較獨特的硬件加速模塊，在應用中進行大量的卸載加速，能實現高性能與低能耗。
所以鎮岳510可以實現非常高的性能。大批量的硬件加速模塊的使用，極大的提高了產品的能效比，達到每瓦420k IOPS性能。除此之外，鎮岳510還實現了非常低的訪問時延。這也是因為平頭哥獨創的設計了前端IO的硬件自動處理機制。
在EETOP特別針對RISC-V的提問中，周冠鋒最后總結說到：“RISC-V這顆CPU和它的指令集都非常精簡，運行效率也很高，同時它還是開源的，所以平頭哥SSD芯片的設計團隊最終選擇了我們認為一個最平均、最平衡的一個設計方案?！?/p>
02 鎮岳510，為云做了哪些定制
首先，在傳統的系統方案中，SSD與存儲系統分離設計。SSD負責底層閃存數據排布，但由于沒有存儲語義而無法達到最佳排布；SSD負責后臺任務，但無法判斷最佳啟停時機；而存儲系統有存儲語義卻無法排布閃存數據，有最佳時機卻無法啟停SSD后臺任務。上下的割裂給整個存儲系統的性能與壽命帶來了額外消耗，這被稱為“SSD接口稅”。
解決辦法就是ZNS。它是一種標準的協議接口，2021年5月被收入NVMe2.0協議中，并得到了SPDK、Linux以及各設備商的支持。ZNS通過將盤內FTL層上移至存儲系統，達到了存儲系統與閃存特性的完美匹配，消減了“SSD接口稅”。
鎮岳510完美實現了ZNS協議，通過靈活的硬件表項加速保持了高IO性能，而Zone分區狀態則交由玄鐵910CPU維護，保留了對新協議的靈活性。此外，鎮岳510定制了Last Sector 隨機寫功能，實現了小報文的多次反復下盤，簡化了ZNS的應用難度。
其次，數據請求可以分為帶寬敏感型與時延敏感型，不同的請求應予以不同的處理策略，才能達到業務最佳SLA。NVMe規范中制定了以隊列為粒度的標準SQ調度機制，但其靈活性較差，對于業務種類復雜、追求靈活可配的云存儲系統來說，它并不是最佳選擇。
鎮岳510在支持NVMe標準的SQ調度機制的同時，額外定制了基于IO粒度的優先級調度機制，允許系統按IO打標，優先級種類多達8級，結合云存儲系統，能夠更好的保障延遲敏感型業務的服務質量。
此外，云存儲系統的完整數據鏈路，從計算端開始，通過網絡到存儲服務器，再通過內部互聯到達SSD。為了保障數據的高可靠，全鏈路應采用語義一致的完整性校驗。但NVMe規范只規定了以Sector為單位按照T10 DIF/DIX的校驗機制，與存儲系統的語義并不相同，因此SSD的校驗與存儲系統的校驗產生了差異。
鎮岳510以IO為粒度，遵循上層存儲語義進行校驗，補齊了整個存儲系統的數據鏈路校驗的最后一環。不僅如此，鎮岳510還支持以存儲語義對內部數據進行后臺巡檢，而無需再讀出至服務器，節省了寶貴的PCIe帶寬、服務器內存帶寬與CPU算力。
周冠鋒介紹說，因為云廠商，尤其是阿里云擁有全棧的軟件的核心技術。所以在這種情況下，平頭哥有機會通過阿里云與軟件棧和底層芯片之間做配合，來實現更好的特性，更好的實現云上應用性能的提升。并且，隨著云技術進入深水區，云開始與底層芯片全方位融合聯合設計，可提供更好的用戶體驗。
不過，鎮岳510的生命力肯定不僅僅在阿里云上止步。鎮岳510其實是為云上應用做優化的，它不僅僅可以適用于阿里云。因其具備的更強存力、更高可靠等特點，可通過為云定制，帶來更優秀的存儲體驗。
周冠鋒表示：“其實在外部的不同的云環境下都是適用的。只是，鎮岳510會首先在阿里云上上線使用！”
03 結束語
平頭哥的業務重心是在數據中心領域的芯片開發。數據中心領域的芯片，一類是純計算類芯片，一類是存儲類芯片。此前平頭哥推出過多款性能強勁的芯片，如含光800 AI專用推理芯片、倚天710首款通用CPU芯片等。但它們都屬于算力芯片，而這一次平頭哥實現對自己的突破，設計出自己的第一顆企業級SSD芯片，補齊其在存儲領域的空白。相信對平頭哥來說，是一次里程碑式的突破。
憶平頭哥初創的決心：要為國內的芯片行業貢獻出自己的一份力量。自2019年成立以來，短短幾年時間，平頭哥一次又一次為國產芯片交上力滿意的佳作，刷新業界對平頭哥的認知，更刷新大家對中國芯片企業實力的認知！
平頭哥已經掌握了SSD主控芯片設計的全部技術。一顆芯片要想有更強的生命力，就需要對它的應用場景有深入的理解，才能更好的用在用戶場景下。平頭哥對阿里巴巴的業務，尤其是阿里云業務有更深刻的理解。平頭哥跟阿里云聯合定制，使得這顆芯片在云上應用的時候，可以讓整個存儲系統的性能、能效和服務質量更好。
對于平頭哥在SSD領域未來的發展，周冠鋒表示：“我們還將繼續沿著高端企業級這條路線進行演進，不過不會拓展到消費級和車規工規級。”