【導讀】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，存儲設備和GPU存儲器之間的數據路徑瓶頸已經無法實現最佳應用性能。NVIDIA的Magnum IO GPUDirect存儲解決方案通過在存儲設備和GPU存儲器之間實現直接路徑，可以極大地幫助解決該問題。
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，存儲設備和GPU存儲器之間的數據路徑瓶頸已經無法實現最佳應用性能。NVIDIA的Magnum IO GPUDirect存儲解決方案通過在存儲設備和GPU存儲器之間實現直接路徑，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)化其已經非常出色的能力，從而確保在發(fā)生災難性故障時備份關鍵數據。該解決方案通過PCIe?結構連接邏輯RAID卷，在PCIe 4.0規(guī)范下，這可以將數據速率提高到26 GB/s。為了解如何實現這些優(yōu)勢，首先需要檢查該解決方案的關鍵組件及其如何協(xié)同工作來提供結果。
Magnum IO GPUDirect存儲
Magnum IO GPUDirect存儲解決方案的關鍵優(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)存儲器將數據從存儲設備加載到GPU中進行處理。通常將數據移動到主機存儲器并傳送到GPU，這依賴于CPU系統(tǒng)存儲器中的回彈緩沖區(qū)，在數據傳送到GPU之前，會在其中創(chuàng)建數據的多個副本。但是，通過這種路徑移動大量數據會產生延遲時間，降低GPU性能，并在主機中占用許多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，避免了從數據路徑回彈緩沖
性能直接隨著傳送數據量的增加而提高，傳送數據量則隨著人工智能（AI）、機器學習（ML）、深度學習（DL）和其他數據密集型應用所需的大型分布式數據集呈指數級增長。當數據在本地存儲或遠程存儲時，可以實現這些優(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拍字節(jié)的遠程存儲。
優(yōu)化RAID性能
該解決方案中的下一個元素是包括RAID功能，用于保持數據冗余和容錯能力。雖然軟件RAID可以提供數據冗余，但底層軟件RAID引擎仍然使用精簡指令集計算機（RISC）架構進行操作，例如奇偶校驗計算。當比較高級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。在流傳輸應用中，軟件RIAD的長期RIAD響應時間會導致數據堆積在高速緩存中。硬件RAID解決方案不存在緩存數據堆積問題，并且具有專門的備用電池，可以防止出現災難性系統(tǒng)掉電時數據丟失的情況。
標準硬件RAID雖然減輕了主機的奇偶校驗管理負擔，但大量數據仍需經過RAID控制器才能發(fā)送到NVMe?驅動器，導致數據路徑更加復雜。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據路徑，無需經過固件或RAID片上控制器即可傳送數據。它還允許維護基于硬件的保護和加密服務。
混合PCIe結構
PCIe Gen 4現在是存儲子系統(tǒng)內的基本系統(tǒng)互連接口，但標準PCIe交換網具有與前幾代相同的基于樹的基本層級。這意味著，主機間通信需要非透明橋接（NTB）來實現跨分區(qū)通信，這使其變得復雜，特別是在多主機多交換網配置中。Microchip的PAX PCIe高級結構交換網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無法實現的。
結構交換網具有兩個獨立的域，主機虛擬域（專用于每個物理主機）和結構域（包含所有端點和結構鏈路）。來自主機域的事務會在結構域中轉換為ID和地址，反之，結構域中通信的非分層路由也是如此。這樣，系統(tǒng)中的所有主機便可共享連接到交換網和端點的結構鏈路。
在嵌入式CPU上運行的結構固件通過可配置的下行端口數虛擬化符合PCIe標準的交換網。因此，交換網將始終顯示為具有直連端點的標準單層PCIe設備，而與這些端點在結構中的位置無關。由于結構交換網會攔截來自主機的所有配置平面通信（包括PCIe枚舉過程）并選擇最佳路徑，因此它可以實現這一點。這樣，GPU等端點便可綁定到域中的任何主機（圖2）。
圖2.交換網固件虛擬化的主機域顯示為每個主機符合PCIe標準的單層交換網
在以下示例（ 圖3 ）中，我們給出了雙主機PCIe結構引擎設置。此處，我們可以看到，結構虛擬化允許每個主機看到一個透明PCIe拓撲，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，并且主機可以正確枚舉它們。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高級結構交換網，同一驅動器的虛擬功能可以共享給不同的主機。
圖3.雙主機PCIe?結構引擎
這種PAX結構交換網解決方案還支持在各結構之間直接跨域點對點傳輸，因此可減少根端口阻塞并進一步緩解CPU性能瓶頸，如圖4所示。
圖4.通過結構路由通信，可減少根端口阻塞
性能優(yōu)化
在探索了NVMe驅動器和GPU之間數據傳輸的性能優(yōu)化過程中涉及的所有組件之后，現在可以結合使用這些組件來實現預期的結果。說明這一點的最佳方式是利用圖示演示各個步驟，圖5顯示了主機CPU及其根端口以及可實現最佳結果的各種配置。
如 REF _Ref90992504 \h VALUE 圖5 左側所示，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）的最大數據速率也限制為3.5 GB/s。不過，通過RAID（邏輯卷）同時聚合多個驅動器（如右側所示），SmartRAID控制器可為四個NVMe驅動器各創(chuàng)建兩個RAID卷，并通過根端口創(chuàng)建傳統(tǒng)PCIe點對點路由。這會將數據速率提高到9.5 GB/s。
但是，利用跨域點對點傳輸（底部的圖），可以通過結構鏈路而不是根端口來路由通信，從而實現26 GB/s的速率，這是使用SmartROC 3200 RAID控制器可達到的最高速率。在最后一個場景中，交換網提供不受固件影響的直接數據路徑，并且仍然保持基于硬件的RAID保護和加密服務，同時充分利用GPUDirect存儲的全部潛能。
圖5.實現26 GB/s的路徑
總結
高性能PCIe結構交換網（例如Microchip的PAX）允許多主機共享支持單根I/O虛擬化（SR-IOV）的驅動器，以及動態(tài)劃分可在多個主機之間共享的GPU和NVMe SSD池。Microchip的PAX結構交換網可以將端點資源動態(tài)重新分配給需要這些資源的任何主機。
這種解決方案還使用了SmartROC 3200 RAID控制器系列支持的SmartPQI驅動程序，因此無需自定義驅動程序。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）的設備。它具有極低的延遲時間，可向主機提供最多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結合使用時，可在多主機系統(tǒng)中發(fā)揮PCIe和Magnum IO GPUDirect存儲的全部潛能。總體而言，上述所有特性使其能夠構建一種強大的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以滿足AI、ML、DL以及其他高性能計算應用的實時需求。
作者：Microchip技術工程師Wilson Kwong；Microchip產品營銷經理Sandeep Dattaprasad
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