对于华为存储自研存储领域的相关芯片，外界一直充满好奇。纵观业界，Avago并购LSI，Cavium并购QLogic，博通并购博科，皆因芯片的技术能力，在芯片并购的大浪潮之下，为什么华为存储反其道而行之，自研芯片？特别是在火热的闪存存储领域，华为自研了哪些芯片？其芯片未来又是如何演进的呢？本文将为您一一解惑。
自研芯片驱动力
全球范围内的企业都面临数字洪流的影响，快速增长的数据规模、越来越高要求的业务处理性能和存储效率成为企业面临的重大挑战。作为企业数字化转型的利器，全闪存天生高性能的优势，为加速关键业务带来新的动力。
全闪存的高速发展，促使介质快速演进，介质性能由量变达到质变（3D XPoint介质比NAND介质快1000倍）；介质和应用（AR/VR等）的发展，对网络也提出更低时延的要求；摩尔周期延长，导致CPU性能提升放缓，计算能力需求缺口增大；介质与网络接口、CPU技术发展不均衡，推动存储技术又一轮变革。
面对存储技术变革的挑战，为满足客户业务日益增长的诉求，华为存储提出以All IP为基础，以All Cloud和All Flash为牵引，芯片、网络设备、应用垂直整合的策略。通过垂直整合，实现资源最大化利用，向客户提供具有更强性能的产品。
自研芯片技术创新
2016年华为发布新一代全闪存阵列OceanStor Dorado V3，具备高达400万IOPS时，仍保持0.5ms稳定时延的卓越性能，能充分发挥闪存效率，满足关键重载业务处理能力。华为存储构建了从前端协议处理芯片、IO处理加速芯片、SSD控制芯片端到端的硬件芯片平台，为全闪存存储带来创新的加速方案，端到端传输性能提升200%。
一．协议处理芯片
1．SmartIO融合多协议，减少连接线缆，简化组网，降低TCO
SmartIO卡使用华为存储协议处理芯片，同时支持8G/16G FC、10G FCoE、10GE、iWARP协议，客户可将IP 和FC数据流量整合到同一个接口芯片中。
通过支持融合组网，10GE支持FCoE/iSCSI/iWARP/CIFS/NFS多协议时，无需更换任何物理部件，支持与任何10GE存储主机端口进行连接。在10GE或8/16Gb FC组网下只需要更换光模块部件，无需更换卡件，支持任意协议转换。使布线减少1/3，接口卡物理部件减少75%，降低客户初始投资成本。
2．RDMA技术，降低60%链路时延
RDMA（Remote Direct Memory Access）是“远程直接数据存取”，通过网络把数据直接传入计算机的存储区，将数据从一个系统快速移动到远程系统存储器中，而不对操作系统造成任何影响，这样就不需要用到多少计算机的处理能力。因而能腾出总线空间和CPU周期，用于改进应用系统性能。华为存储协议处理芯片支持硬件级RDMA，在多个存储控制器之间通过RDMA进行数据传输和交换，从而降低链路上时延超过60%，极大地提升客户在多并发和高负载业务下的处理效率。基于10GE，在8并发、8KB IO大小，时延测试结果如下：
3．针对WAN优化，减少广域网拥塞，提升复杂组网场景下远程复制带宽
WAN优化即广域网优化，通过各种技术手段削减广域网数据传输量、优化广域网上的数据通信，提升广域网带宽利用率。WAN优化从部署方式上分为单边优化和双边优化：单边优化主要采用流控和TCP优化技术；双边优化主要采用缓存和压缩技术。
华为存储协议处理芯片内嵌QoS流控和TCP拥塞算法技术，在客户复杂组网场景，比如连接不同地区的局域网或城域网的计算机通信的远程网，甚至跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几百公里连接多个城市情况下，通过实时侦测网络数据包RTT时延、丢包率、ECN等，配合多种TCP拥塞算法，调整发送和接收策略，包括重试策略、收/发Buffer窗口、智能流控等手段，动态的针对某些链路传输拥塞进行规避和缓解，达到比普通网卡跑得更快的目的。WAN加速在复杂组网下可提升65%~400%的广域网性能。
二．IO处理加速芯片
云服务时代带来数据超预期增长的同时，也带来了大量的重复数据，这些重复数据给企业带来的价值十分有限，却大量占用存储空间、增加能耗和散热成本，而且会降低系统的数据访问性能、消耗企业有限的IT预算。企业迫切希望有一种方法能够保证原有数据的访问性能，并在此基础上减少重复数据。
业内普遍采用重删和压缩技术来解决这个问题，但是重删压缩涉及到大量的指纹和压缩、解压缩算法，对CPU占用率较高，一旦开启会显著影响业务性能，因此传统存储都采用后重删压缩技术。对用户来说，后重删压缩技术无法减少客户预留存储空间，不能减少首次购置成本，同时更多的数据写入，也影响SSD寿命。
华为IO处理加速芯片集成压缩、解压算法引擎，将压缩和解压缩等比较消耗计算资源的工作卸载到算法引擎，有效降低CPU负载。根据实际测试，在顺序大IO场景下，CPU占用率减少24.6%，IOPS提升342.4%，时延缩短77.4%。
三．SSD控制芯片
华为自研SSD使用新一代自研的SSD控制芯片，采用了计算能力更强的Cortex-A9芯片，支持DDR4，多达18个NAND Flash通道，采用了硬件FTL（Flash Translation Layer）技术加速IO处理，实现200K IOPS能力。
华为自研SSD性能数据
1.硬件FTL，低负载时延比业界低20%
FTL（Flash Translation Layer）是SSD盘片内部的一个核心数据结构，用来保存用户LBA到SSD盘内物理页面的映射关系，用户读写数据时带下来一个LBA地址，SSD盘接收到以后，从FTL表中查询到该LBA地址所对应的物理页面，即可实现数据的读取。传统的SSD读取数据的时候，SSD内部控制软件查找到LBA地址对应的物理地址，然后再从Flash中读取对应的数据返回给主机；写入数据的时候，软件写入完毕后，再去更新FTL映射表。华为自研SSD使用硬件加速FTL表管理，所有读取和写入FTL的操作全部由硬件完成，减少软件交互次数，减小IO的延时，在低负载场景下时延低至40μs，比业界低20%。
2.FlashLink技术保障全闪存阵列，实现平均稳定时延0.5ms
FlashLink技术是基于华为自研SSD盘和自研存储操作系统，实现盘控联动配合的软硬件垂直优化技术，保障华为OceanStor Dorado V3全闪存存储系统实现平均稳定时延0.5ms。
FlashLink技术示意图
冷热数据分区提供多个数据分区，自研存储操作系统在访问SSD盘片时，将数据的冷热标示发给SSD，SSD控制芯片根据数据冷热标识将冷热数据分开存放，从而降低SSD垃圾回收的搬移数据量，写放大降低约40%，时延降低20%。
IO优先级调度提供多个IO优先级调度能力，为保证稳定时延，自研存储操作系统对IO优先级别进行了标识。比如，主机读请求的优先级高于Flash Cache刷盘请求，Flash Cache刷盘写请求优先级高于异步复制的后台拷贝IO。IO优先级随着读写请求一起发给SSD，SSD控制芯片接收到IO时，根据IO的优先级标识优先处理高优先级IO，从而实现端到端的IO优先级控制，保障优先的业务数据读写在第一顺序响应。
总结
华为存储在自研芯片研发上持续投入和技术创新，帮助企业应对数字洪流挑战，进行数字化转型。
协议处理芯片以All IP为战略，覆盖前端网络、交换网络、后端网络、复制/双活网络，构建大规模、低时延网络能力；IO处理加速芯片以SOC为方向，集成存储和网络加速功能，持续优化计算、存储、网络能力；SSD控制芯片以介质为核心，匹配介质演进节奏，针对介质特性进行优化，充分发挥新介质优势。
通过技术创新和软硬件芯片垂直优化，华为存储致力于消除CPU、介质、网络发展不均衡导致的鸿沟，为客户提供更快、更好、更省的产品和解决方案，与客户一起实现商业成功。
