平头哥首颗自研企业级SSD主控芯片“镇岳510”揭秘：更懂云计算，更懂云上应用

数据中心可以看作是一台大号的计算机，而云计算同样也符合冯诺依曼结构：数据从存储设备中取出，通过网络传送到计算单元，运算结果通过网络传输至存储设备中保存。 因此要实现更高性能的运算，更高效地支持LLM等新兴应用，算力、网力和存力，三者缺一不可。

当算力向着异构计算方向发展，实现指数级的增加、网络向着更快速方向演进，进入400GE、800GE时代时，作为寸力代表的SSD，又有什么样的技术趋势？平头哥在2023年阿里云栖大会上给出了答案——旗下首颗自研SSD主控芯片“镇岳510”正式发布。

云计算应用追新逐日，数据基座面临存力挑战

存力指的是存储设备的能力，主要有性能、能效、可靠性和时延四个方面的指标。对于SSD而言，性能通常指的是读写带宽和读写IOPS；能效比指的是每消耗一瓦功耗可以提供多少的性能；可靠性指的是SSD的纠错能力，通常用UBER表示，也就是每读取多少笔数据会出现一次数据纠错失败；时延则是指的SSD从收到命令到返回响应的时间。

据平头哥产品总监周冠锋介绍，新兴应用对于云计算中的存力提出了更高的要求。

作为计算数据来源和结果数据的目的地，SSD吞吐率的高低将直接制约整个计算系统的性能；云上的一个业务请求通常会被分散到多个SSD中并发执行，任何一块SSD的时延抖动都会造成这个那个业务的请求延迟。此外，更高的存储密度、更好的能效表现，同样不可或缺。

今天发布的镇岳510是平头哥旗下第一颗SSD主控芯片，支持先进的PCIe 5.0接口和DDR5.0技术，内置玄铁910 RISC-V多核CPU，采用平头哥自研紧耦合芯片架构，对SSD任务进行高度抽象，可固化任务硬化为加速算子以提升性能。

据悉，镇岳510每秒可处理高达340万笔IO，每瓦功耗可提供42万笔IO访问。相比目前主流的PCIe 4.0SSD，镇岳510在相同的性能下，仅主控芯片即每年节省260万度电，按照一度电排放0.785千克二氧化碳计算，每年可减少二氧化碳排放2千吨。

镇岳510还内置了创新的IO自动化处理机制，前端IO解析与处理，由专用硬件模块自动完成，实现了业界领先的超低的时延（4μs），可以带给应用极佳的体验，比业界SSD降低30%以上。

在可靠性方面，镇岳510内置了平头哥自研的高性能LDPC纠错算法，编码效率逼近香农极限，同时ErrorFlow相比业内SSD更优一个数量级；借助平头哥自研闪存电压预测算法，可以在各种闪存的不同工况、寿命、温度等条件下，准确预测闪存电压漂移，进一步降低LDPC解码器的输入误码率。其实现了低至10^-18的UBER，相当于每读取百亿亿笔数据，才可能有一笔数据纠错失败。

虽然算力是越高越好，但其实不同的上层应用，对于底层的数据基座也有着差异化的需求。例如AI推理，更关注带宽和时延这两个参数；而AI推理，则更看重IOPS这个参数。而说到对于云上业务场景的理解，以及对于未来云计算技术趋势的判断，作为阿里云的独立芯片公司，平头哥是非常了解的。

镇岳510的定义和架构：灵活性和高效计算之间的平衡之术

为了实现紧密的软硬件耦合，从而达到整体更高的数据中心下效能，底层的SSD芯片在设计的时候要充分考虑到上层应用的IO模型。

对于产品定义，平头哥内部架构团队花了超过半年的时间反复审度，最终确定了镇岳510的设计目标，在灵活性和高效之间实现了最佳的平衡。

首先对于标准的选择上，2023年是企业级SSD从PCIe4.0向PCIe5.0迈进的元年，因此平头哥提前规划了这颗支持PCle5.0的SSD底座芯片。

而在灵活性和高效的平衡上，业界每一家SSD主控芯片的设计都有所不同，主要分为“命令流”和“数据流”两种。所谓的命令流，就是类似于纯SoC，更多的依赖CPU跑各种软件来实现命令的解析、拆分、各种表象管理以及后端应用组装下发等工作。这种方式拥有更高的灵活性。所谓的数据流，就是类似于当前镇岳510这样进行硬件大幅度卸载的设计方案，通过专门的硬件加速器来运行特定的工作任务，从而实现这些任务的高效稳定运行。

对于镇岳510而言，选择哪些功能卸载到硬件加速器上去跑，哪些仍然在CPU中去处理，就是一个非常棘手的问题。把所有的任务都放在专门硬件加速器中去做，就会主控芯片的丧失灵活性，而某些工作任务放在CPU中去处理，又得不到更好的加速。如何取舍？这需要对于云上应用场景的深刻理解。

据周冠锋分享，平头哥的SSD芯片的设计团队在前在设计前期是经过了大量的多种方案的对比，最终选择了当前一个最平均、最平衡的设计方案——既能通过硬件加速获得高效，同时又把一些关键的软件任务仍然留使用CPU来运行，这样获得灵活性。

为云而生，软硬件紧密耦合开启软件定义闪存时代

作为一款SSD主控芯片，镇岳510是为SSD而生，更是了云而生，最终是为了云上应用而生。以应用作为最终目的，将SSD与数据库进行紧密的软硬件耦合，这才是镇岳510这块硬件拼图的使命。

作为一家云服务商，阿里云拥有全栈的软件核心技术，而镇岳510在芯片层面也和阿里云的软件层面进行了一些配合，实现诸多对于云计算非常有价值的关键特性。

首先，镇岳510支持定制化ZNS协议，通过存储软件与NAND特性完美契合，达到数据排布的最优化，后台操作的最小化，从而进一步消除SSD接口税。

其次，镇岳510提供了IO粒度的优先级调度，实现了全链路QoS优化。延迟敏感型与带宽敏感型IO实现了精细化的区分处理，从而提升了延迟敏感型IO的SLA。

第三，镇岳510支持智能卸载功能。将可靠性计算任务卸载至SSD，实现全路径存储语义校验，同时也减轻了服务器主机算力开销。

将采用镇岳510主控的“镇岳SSD”与阿里云的统一存储平台“飞天盘古”相结合，就组成了阿里云从芯片到系统的全栈自研分布式存储。两者协同增强了云存储的灵活性，并推动数据中心向软件定义闪存的方向迈进。