基于MRAN的 nvNITRO NVMe 存储加速器卡，可实现1.46百万I/O速度

随着各大处理器处理速度的提高，特别是前几年Intel和IBM在CPU运行速度的竞争环境下，整个CPU运行速度的发展基本符合摩尔定律，但是近十年来，CPU的速度提升就变得十分缓慢了，个人认为最主要的原因有两点，其一就是工艺，其二就是访存，数据放在存取区域中，很难快速的load到core中。同样在各大设计应用中，存储器的IO速度问题越来越突出，那么到今天为止，在memory access上的的IO速度是否出现了一些突破呢？

Everspin’s nvNITRO NVMe card

上个月，Everspin公布了他们最新研发的基于MRAN而实现的 nvNITRO NVMe 存储加速器卡，吸睛之处在于他们给出了这款加速器卡的IO访存速度为：对于随机混合4KB 70/30的读写操作它的IO速度可以达到1.46百万，这个速度有点委实有点惊人，可是说这个速度在目前的IOPS界应该是最快的了。换句话说这个IOPS速度其实已经超过Intel 的P4800X Optane SSD卡将近三倍了（Optane在随机4KB 70/30 读写操作时的IOPS可以达到500K的速度）。究其缘由，有多个因素造就了如此高的IOPS速率，首先这款nvNITRO存储加速器卡采用了Everspin最新的高速1Gb ST-MRAM（Spin Torque Magnetostrictive RAM），DDR4，SDRAM兼容性IO；其次，加速卡内部为NVMe 1.1+ 配置了兼容的MRAM专用存储控制IP块；关键的是还采用了Xilinx Kintex UltraScale KU060 FPGA芯片为整个板卡实现了MRAM控制器到 PCIe Gen3X8的主机接口，这一点就为IO的高速 access奠定了基础。同时值得关注的是，Everspin的nvNITRO NVMe卡将会在2017年的Q4上见到，并且其可用能力将会达到1或2GB，值得期待。

图1：Everspin’s nvNITRO NVMe card

不同于过去实现NVMe 卡时采取的存储技术，非易失性MRAM实现了一些十分有意义的优势，比如说它的非易失，可以省去后备电源的需求。除此之外，ST-MRAM有非常高的持久力，所以nvNITRO卡可以每天没有限制的进行写操作不会出error，这就省去在NAND Flash存储是要通过耗损平衡算法来为存储steal一些cycle的需要，同时，随着运行时间的延长在读写性能上并未有所降低。

图：Everspin ST-MRAM 快速写且具有高的 write endurance

从上面的坐标系中，随着Y轴数据的增加，观察X轴上可以看到Everspin的ST-MRAM的写速度相当快，几乎和DRAM速度相同，当然了，这一点也确实是实现nvNITRO加速器具有相当快的读写速率的原因之一。

另外，关于Everspin nvNITRO NVMs 存储加速器的数据手册中值得指出的一点是"用户可以通过写自己的RTL code到可编程的FPGA芯片来自定义feature"(原文为：Customer-defined features using own RTL with programmable FPGA)，这就好比说用户自己可以在nvNITRO 存储加速器卡系统中的Lintex UltraScale KU060 FPGA芯片中写code来实现PCIe接口和ST-MRAM控制器，即在不增加BOM开销的前提下，你可以写自己独特的需求code在这个设计系统中。这样一说的话，如果身边有这样一块板子的话确实值得一试。

总结

在上面的整个介绍中，主要是突出了nvNITRO这个加速器卡的访存速度超级快，并对其快的原因进行了分析。其实结合以前的一些文章，可以发现并归纳出 一个关键点：使用FPGA其实是实现这些性能的一个前提，比如说应用FPGA可以灵活的实现各种数据接口和控制器；还有一点就是使用FPGA使得整个系统的灵活性完全不一样了，更多的为用户的自主设计流出了空间。相信在以后的更多用到Xilinx 高性能FPGA的设计中将会越来越注重将FPGA的灵活性发挥出来。