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内存、磁盘驱动器、Memory Fabric和 RISC-V

存储
2022-11-15
1585
更新：2022-11-15 11:07:25

RISC-V 独特而灵活的计算架构可供大规模并行计算存储解决方案、硬盘驱动器 (HDD) 和固态磁盘驱动器 (SSD) 以及Memory Fabric架构（如以太网束闪存 (EBOF) 的设计人员使用） ) 或 Just a Bunch of Flash (JBOF) 来实施高性能解决方案。本文将介绍 RISC-V 内存管理在片上系统 (SoC) 设备中的使用、RISC-V 如何增强 HDD 的性能、RISC-V 如何在计算存储应用中与 HDD 和 SSD 一起使用，最后介绍了两种针对 RISC-V 进行优化的开源Fabric架构。

特定领域加速器 (DSA)，例如压缩/解压缩单元、随机数生成器和网络数据包处理器，在 SoC 设计中变得越来越普遍。标准 I/O 互连，例如高级可扩展接口 (AXI) 总线，通常用于连接 DSA 和内核。基于 RISC-V 的 SoC 可用于以新颖的方式将 DSA 与内核连接并优化高带宽数据传输。在典型架构中，直接存储器访问 (DMA) 引擎用于将 DSA 连接到双倍数据速率 (DDR)、低功耗 DDR (LPDDR) 或高带宽存储器 (HBM) 组。RISC-V 支持实现大规模并行计算存储解决方案的特定应用功能。

在使用 DMA 引擎的传统方法中（下图左侧），数据传输通常涉及首先分配Last-Level Cache (LLC) 数据。如果传输的数据量大于 LLC 大小，则会显着减慢访问速度。

<center>与传统方法（左侧）首先在 Last-Level Cache 中分配数据相比，RISC-V 可以使用另一种方法将数据直接写入内存（右侧）
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使用 RISC-V 可以实现另一种方法（在图中右侧），可以绕过 LLC 将数据直接写入内存。数据可以标记为未缓存并直接写入内存，也可以标记为已缓存，DMA 引擎可以告诉 LLC 不要缓存内存，而是将其写入内存。第二种方法更复杂，因为数据被标记为可缓存，并且任何其他缓存的数据副本必须在处理器复合体中失效。

RISC-V 提供了多种用于连接内核和 DSA 的选项。使用Mesh拓扑的典型实现具有固定路径路由，互连可以保证排序，从而允许对 DSA 内存进行非常高的带宽访问。RISC-V 还包括两种可选的 I/O 排序模式。可以根据需要选择性地使用非常保守的 I/O 排序模式来保证强排序。RISC-V 还为 I/O 加载和存储可以重新排序的高带宽应用程序提供了一种宽松的排序模式。

**HDD、SSD 和计算存储/computational storage**

RISC-V 处理器为 HDD、SSD 和计算存储带来了多项优势。从 HDD 开始，RISC-V 可以支持未来几代设备所需的超精密运动控制定位。五年内，HDD 容量有望达到 50TB。要达到该容量水平，需要能够移动到磁盘上比人类头发丝宽度小 30,000 倍的位置的定位精度。以必要的速度实现该级别的精度需要大量的实时计算。定制 RISC-V ISA 的能力预计将成为实现该性能的关键因素。

例如，希捷的工程师最近为 HDD 应用设计了两个 RISC-V 内核。性能较低的内核针对轻量级和安全关键型设计进行了优化。与当前的非 RISC-V 解决方案相比，更高性能的内核在实时 HDD 应用程序中提供高达三倍的性能。

HDD 和 SSD 制造商期望使用 RISC-V 带来更低的延迟、省电、更高的驱动器容量、存储驱动器的内部计算能力以及网络边缘创建的数据的更高安全性。基于 HDD 和 SSD 的计算存储设备并非旨在取代服务器中的高性能 CPU；他们有望与系统协作并提高系统的处理效率。

基于 RISC-V 的计算 HDD 将能够在驱动器级别处理数据，而不是将其移动到应用程序服务器。这将减少网络流量并消除 I/O 瓶颈。如果它们在商业上取得成功，这些基于 HDD 的计算驱动器将为计算 SSD 提供成本更低的替代方案。依赖来自边缘设备的数据的实时分析、人工智能和机器学习任务预计将特别受益于计算 HDD 的发展。

**Memory fabrics，EBOF 和 JBOF**

将“闪存束/bunch of flash”存储器连接到nonvolatile memory express over fabric (NVMe-oF) 网络的两种常见方法是使用以太网创建以太网闪存束 (EBOF) 或使用 PCIe 交换机创建一堆闪存（JBOF）。EBOF 和 JBOF 都使用 NVMe-oF 连接回服务器*。*

<center>EBOF和JBOF比较
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除了以太网与 PCIe 交换之外，JBOF 和 EBOF 之间的主要区别在于 NVMe 到 NVMe-oF 转换发生的位置。JBOF 的桥接转换发生在使用一个或多个 DPU 的机架外围。在 EBOF 中，桥接发生在 SSD 托架或机箱内。这两种方法之间存在权衡：JBOF 使用 DPU 的（本地）处理能力来运行存储服务以提供更好的整体系统性能，但这可能是一个潜在的瓶颈，并且与 EBOF 方法相比更昂贵且消耗更多功率.

RISC-V International 和 CHIPS（用于接口、处理器和系统的通用硬件）联盟已进行联合合作，以更新 OmniXtend 缓存一致性规范和协议，并为 OmniXtend 构建开发工具。OmniXtend 最初由 Western Digital 开发，是一种开放式缓存一致性协议，它利用现代以太网交换机的可编程性，使处理器的缓存、内存控制器和加速器能够直接通过以太网兼容Fabric交换一致性消息。它是一种开放式解决方案，可有效地将持久内存连接到处理器，并提供连接计算、存储、内存和 I/O 组件的潜在未来高级Fabric。

<center>OmniXtend 是一个开放的缓存一致性协议。
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已经成立了一个联合 OmniXtend 工作组，该工作组将专注于为多核计算架构创建一个开放的、缓存一致的、统一的内存标准。OmniXtend 规范和协议将被更新。将扩展架构仿真模型，开发参考寄存器传输级 (RTL) 实现，并建立验证工作台。

**RISC-V 和 Gen-Z fabric**

Gen-Z 是一种基于开放系统架构的架构，旨在互连处理器、内存设备和加速器。Gen-Z 通过启用资源配置和共享来支持广泛的应用程序，以便在不同资源的应用程序需求发生变化时提供灵活的系统配置。Gen-Z 旨在提供更高的性能、更高的带宽和更低的延迟、软件效率、功耗优化和更高的安全性。Gen-Z fabric的一些特性包括：

<span>◼ </span>内存和内存控制器在 Gen-Z 中进行了抽象，支持广泛的内存媒体类型的部署。可以透明地支持多代存储设备和新的存储介质技术。

<span>◼ </span>FPGA 加速器、内存模块、非易失性内存模块和 GPU 等各种组件可以离线并根据需要独立更换和升级。

<span>◼ </span>Gen-Z Fabric是可重新配置的，可以满足现有和尚未开发的以内存为中心的应用程序的不同资源需求。

<span>◼ </span>Gen-Z Fabric管理安全可靠，并且与现有管理工具兼容。它利用管理组件传输协议 (MCTP) 等行业标准协议来实现快速部署。

<span>◼ </span>Gen-Z 支持强大的硬件强制分区和安全框架，以保护Fabric免受网络威胁。

<span>◼ </span>互操作性使 Gen-Z 能够在多个组件之间有效地传输标准和定制通信，使客户和供应商能够快速创新和部署新的功能和服务。

<span>◼ </span>Gen-Z 的开放式规范使其能够免费集成到任何解决方案中，并且不受重复使用的限制。

RISC-V 的大地址空间、安全的特权执行环境和可扩展的 ISA 与 Gen-Z 的可扩展性、内置安全性、硬件强制隔离和强大且易于扩展的功能相得益彰。此外，多种处理器和加速器的创新机会正在使用 Gen-Z，包括：Gen-Z 内存管理单元 (ZMMU) 可透明地支持任何规模的内存，PCIe® 增强配置访问方法 (PECAM) 和逻辑 PCIe 设备 (LPD) 可实现大规模横向扩展存储解决方案，而无需额外的互连和网关插入处理器或加速器和数据之间。

**概括**

如上所示，大规模并行计算存储解决方案、HDD 和 SSD 以及 EBOF 或 JBOF 等Memory Fabric架构的设计人员可以利用 RISC-V 独特而灵活的计算架构来实现高性能解决方案。此外，开源Fabric架构正在针对 RISC-V 进行优化。

**参考**

[使用 RISC-V 和 Gen-Z 加速创新](https://genzconsortium.org/wp-content/uploads/2019/04/Accelerating-Innovation-Using-RISC-V-and-Gen-Z_V1.pdf)，Gen Z Consortiumzzz
[CHIPS 联盟](https://chipsalliance.org/)
[高带宽加速器访问内存：使用 RISC-V 实现优化的数据传输](https://www.sifive.com/blog/part-3-high-bandwidth-accelerator-access-to-memory-enabling-optimized-data-transfers-with-risc-v)，SiFive
[Seagate，Western Digital 概述 RISC-V 设计的进展](https://riscv.org/news/2020/12/seagate-western-digital-outline-progress-on-risc-v-designs-carol-sliwa-searchstorage-techtarget-com/)，RISC-V International

> 作者：JEFF SHEPARD
> 链接：https://www.microcontrollertips.com/memory-disk-drives-memory-fabrics-and-risc-v-faq/

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