PCIe結(jié)構(gòu)和RAID如何在GPUDirect存儲中釋放全部潛能

隨著更快的圖形處理單元（GPU）能夠提供明顯更高的計算能力，存儲設(shè)備和GPU存儲器之間的數(shù)據(jù)路徑瓶頸已經(jīng)無法實現(xiàn)最佳應(yīng)用程序性能。NVIDIA的Magnum IO GPUDirect存儲解決方案通過在存儲設(shè)備和GPU存儲器之間實現(xiàn)直接路徑，可以極大地幫助解決該問題。然而，同等重要的是要使用容錯系統(tǒng)來優(yōu)化其已經(jīng)非常出色的能力，從而確保在發(fā)生災(zāi)難性故障時備份關(guān)鍵數(shù)據(jù)。該解決方案通過PCIe^?結(jié)構(gòu)連接邏輯RAID卷，在PCIe 4.0規(guī)范下，這可以將數(shù)據(jù)速率提高到26 GB/s。為了解如何實現(xiàn)這些優(yōu)勢，首先需要檢查該解決方案的關(guān)鍵組件及其如何協(xié)同工作來提供結(jié)果。 

Magnum IO GPUDirect存儲 

Magnum IO GPUDirect存儲解決方案的關(guān)鍵優(yōu)勢是其能夠消除主要性能瓶頸之一，方法是不使用CPU中的系統(tǒng)存儲器將數(shù)據(jù)從存儲設(shè)備加載到GPU中進(jìn)行處理。通常將數(shù)據(jù)移動到主機(jī)存儲器并傳送到GPU，這依賴于CPU系統(tǒng)存儲器中的回彈緩沖區(qū)，在數(shù)據(jù)傳送到GPU之前，會在其中創(chuàng)建數(shù)據(jù)的多個副本。但是，通過這種路徑移動大量數(shù)據(jù)會產(chǎn)生延遲時間，降低GPU性能，并在主機(jī)中占用許多CPU周期。借助Magnum IO GPUDirect存儲解決方案，無需訪問CPU并避免了回彈緩沖區(qū)效率低下（圖1）。 

圖1. Magnum IO GPUDirect存儲解決方案無需訪問CPU，避免了從數(shù)據(jù)路徑回彈緩沖 

性能直接隨著傳送數(shù)據(jù)量的增加而提高，傳送數(shù)據(jù)量則隨著人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、深度學(xué)習(xí)（DL）和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用所需的大型分布式數(shù)據(jù)集呈指數(shù)級增長。當(dāng)數(shù)據(jù)在本地存儲或遠(yuǎn)程存儲時，可以實現(xiàn)這些優(yōu)勢，從而允許以比CPU存儲器中的頁面緩存更快的速度訪問數(shù)拍字節(jié)的遠(yuǎn)程存儲。 

優(yōu)化RAID性能 

該解決方案中的下一個元素是包括RAID功能，用于保持?jǐn)?shù)據(jù)冗余和容錯能力。雖然軟件RAID可以提供數(shù)據(jù)冗余，但底層軟件RAID引擎仍然使用精簡指令集計算機(jī)（RISC）架構(gòu)進(jìn)行操作，例如奇偶校驗計算。當(dāng)比較高級RAID級別（例如RAID 5和RAID 6）的寫I/O延遲時間時，硬件RAID仍然比軟件RAID快得多，因為提供了專用處理器來執(zhí)行這些操作和回寫高速緩存。在流傳輸應(yīng)用中，軟件RIAD的長期RIAD響應(yīng)時間會導(dǎo)致數(shù)據(jù)堆積在高速緩存中。硬件RAID解決方案不存在緩存數(shù)據(jù)堆積問題，并且具有專門的備用電池，可以防止出現(xiàn)災(zāi)難性系統(tǒng)掉電時數(shù)據(jù)丟失的情況。 

標(biāo)準(zhǔn)硬件RAID雖然減輕了主機(jī)的奇偶校驗管理負(fù)擔(dān)，但大量數(shù)據(jù)仍需經(jīng)過RAID控制器才能發(fā)送到NVMe^?驅(qū)動器，導(dǎo)致數(shù)據(jù)路徑更加復(fù)雜。針對此問題的解決方案是NVMe優(yōu)化的硬件RAID，該解決方案提供了簡化的數(shù)據(jù)路徑，無需經(jīng)過固件或RAID片上控制器即可傳送數(shù)據(jù)。它還允許維護(hù)基于硬件的保護(hù)和加密服務(wù)。 

混合PCIe結(jié)構(gòu) 

PCIe Gen 4現(xiàn)在是存儲子系統(tǒng)內(nèi)的基本系統(tǒng)互連接口，但標(biāo)準(zhǔn)PCIe交換網(wǎng)具有與前幾代相同的基于樹的基本層級。這意味著，主機(jī)間通信需要非透明橋接（NTB）來實現(xiàn)跨分區(qū)通信，這使其變得復(fù)雜，特別是在多主機(jī)多交換網(wǎng)配置中。Microchip的PAX PCIe高級結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)等解決方案能夠克服這些限制，因為它們支持冗余路徑和循環(huán)，而這是使用傳統(tǒng)PCIe無法實現(xiàn)的。 

結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)具有兩個獨(dú)立的域，主機(jī)虛擬域（專用于每個物理主機(jī)）和結(jié)構(gòu)域（包含所有端點(diǎn)和結(jié)構(gòu)鏈路）。來自主機(jī)域的事務(wù)會在結(jié)構(gòu)域中轉(zhuǎn)換為ID和地址，反之，結(jié)構(gòu)域中通信的非分層路由也是如此。這樣，系統(tǒng)中的所有主機(jī)便可共享連接到交換網(wǎng)和端點(diǎn)的結(jié)構(gòu)鏈路。 

在嵌入式CPU上運(yùn)行的結(jié)構(gòu)固件通過可配置的下行端口數(shù)虛擬化符合PCIe標(biāo)準(zhǔn)的交換網(wǎng)。因此，交換網(wǎng)將始終顯示為具有直連端點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)單層PCIe設(shè)備，而與這些端點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中的位置無關(guān)。由于結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)會攔截來自主機(jī)的所有配置平面通信（包括PCIe枚舉過程）并選擇最佳路徑，因此它可以實現(xiàn)這一點(diǎn)。這樣，GPU等端點(diǎn)便可綁定到域中的任何主機(jī)（圖2）。 

圖2. 交換網(wǎng)固件虛擬化的主機(jī)域顯示為每個主機(jī)符合PCIe標(biāo)準(zhǔn)的單層交換網(wǎng) 

在以下示例（圖3）中，我們給出了雙主機(jī)PCIe結(jié)構(gòu)引擎設(shè)置。此處，我們可以看到，結(jié)構(gòu)虛擬化允許每個主機(jī)看到一個透明PCIe拓?fù)?，其中包含一個上行端口、三個下行端口和三個連接到它們的端點(diǎn)，并且主機(jī)可以正確枚舉它們。圖3中的有趣之處是具有一個包含兩個虛擬功能的SR-IOV SSD，通過Microchip的PCIe高級結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)，同一驅(qū)動器的虛擬功能可以共享給不同的主機(jī)。 

圖3. 雙主機(jī)PCIe^?結(jié)構(gòu)引擎 

這種PAX結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)解決方案還支持在各結(jié)構(gòu)之間直接跨域點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，因此可減少根端口阻塞并進(jìn)一步緩解CPU性能瓶頸，如圖4所示。 

圖4. 通過結(jié)構(gòu)路由通信，可減少根端口阻塞 

性能優(yōu)化 

在探索了NVMe驅(qū)動器和GPU之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅軆?yōu)化過程中涉及的所有組件之后，現(xiàn)在可以結(jié)合使用這些組件來實現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。說明這一點(diǎn)的最佳方式是利用圖示演示各個步驟，圖5顯示了主機(jī)CPU及其根端口以及可實現(xiàn)最佳結(jié)果的各種配置。 

如圖5左側(cè)所示，盡管使用的是高性能NVMe控制器，但由于根端口的開銷，PCI Gen 4 x 4（4.5 GB/s）的最大數(shù)據(jù)速率也限制為3.5 GB/s。不過，通過RAID（邏輯卷）同時聚合多個驅(qū)動器（如右側(cè)所示），SmartRAID控制器可為四個NVMe驅(qū)動器各創(chuàng)建兩個RAID卷，并通過根端口創(chuàng)建傳統(tǒng)PCIe點(diǎn)對點(diǎn)路由。這會將數(shù)據(jù)速率提高到9.5 GB/s。 

但是，利用跨域點(diǎn)對點(diǎn)傳輸（底部的圖），可以通過結(jié)構(gòu)鏈路而不是根端口來路由通信，從而實現(xiàn)26 GB/s的速率，這是使用SmartROC 3200 RAID控制器可達(dá)到的最高速率。在最后一個場景中，交換網(wǎng)提供不受固件影響的直接數(shù)據(jù)路徑，并且仍然保持基于硬件的RAID保護(hù)和加密服務(wù)，同時充分利用GPUDirect存儲的全部潛能。

圖5. 實現(xiàn)26 GB/s的路徑

總結(jié) 

高性能PCIe結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)（例如Microchip的PAX）允許多主機(jī)共享支持單根I/O虛擬化（SR-IOV）的驅(qū)動器，以及動態(tài)劃分可在多個主機(jī)之間共享的GPU和NVMe SSD池。Microchip的PAX結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)可以將端點(diǎn)資源動態(tài)重新分配給需要這些資源的任何主機(jī)。 

這種解決方案還使用了SmartROC 3200 RAID控制器系列支持的SmartPQI驅(qū)動程序，因此無需自定義驅(qū)動程序。Microchip的SmartROC 3200 RAID控制器是目前惟一能夠提供最高傳輸速率（即26 GB/s）的設(shè)備。它具有極低的延遲時間，可向主機(jī)提供最多16個PCIe Gen 4通道，并向后兼容PCIe Gen 2。與Microchip基于Flashtec^?系列的NVMe SSD結(jié)合使用時，可在多主機(jī)系統(tǒng)中發(fā)揮PCIe和Magnum IO GPUDirect存儲的全部潛能?？傮w而言，上述所有特性使其能夠構(gòu)建一種強(qiáng)大的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以滿足AI、ML、DL以及其他高性能計算應(yīng)用的實時需求。