固态硬盘SSD加持“存算一体”，忆芯STAR2000如何打造国产高端企业级SSD方案

近日，忆芯科技发布自研的全新一代高端企业级SSD主控芯片STAR2000和企业级固态硬盘STAR2000E、STAR2000D。应用于企业级市场，满足服务器、云存储、数据中心、AI等场景对极致性能、可靠性、安全性的存储需求。
 
STAR2000是行业内首批将Arm® Cortex-A55用作CPU、首款支持NVMe 2.0、最高性能PCIe4.0的高端企业级SSD主控芯片，能为企业级SSD带来更长使用寿命、更灵活管理机制和更低的成本。同时集成了高达8TOPS算力的NPU，可以更好满足企业级SSD“存算一体”的需求。
 
忆芯科技创始人/CEO 沈飞表示，忆芯科技成立于2015年10月，从创立之初，就立志成为让世界记住的伟大芯片公司，成为“芯”空中最亮的那颗星，这也是忆芯科技STAR系列命名的由来。从“平地春雷”到“风林火山”，再到今天的“风禾尽起”，三场发布会见证了忆芯科技从自研技术到首次商业落地再到全面商业开花的历程，也见证了忆芯科技从第一款以地球母星命名的“Earth”远航至今天发布会推出了STAR2000（Uranus）的漫漫征程。

忆芯科技创始人/CEO 沈飞

STAR2000：12纳米工艺、支持PCIe4.0、NVMe2.0等

 
具体到这颗芯片性能方面的细节，忆芯科技芯片首席架构师薛立成博士进行了分析。
 
在工艺选择上，STAR2000采用12纳米工艺，这是出于成本、面积、功耗的考虑，该工艺更契合PCIe4.0 SSD主控需求，未来三到五年PCIe4.0 SSD占据市场主流，成熟度高。
 
据了解，整个SSD主控芯片所有核心的IP都是忆芯团队自主研发和设计。薛立成认为，自主研发带来的好处，一是技术有竞争力，二是产品持续迭代的能力强，同时自主研发带来产品的多样性和差异化，例如STAR2000对存算一体的支持。
 
该芯片支持NVMe2.0协议，使得SSD具有一些新的特性，包括分区命名空间，可以有效地减少客户对磁盘的写入数量，Endurance Croup管理可以为多用户、多应用提供与之匹配的性能。
 
读写性能上，STAR2000的顺序读性能为7200MB/S，顺序写性能为6800MB/S；对应参数分别为上一代产品的120%和300%；随机读性能为1750K IOPS，稳定随机写性能为550K IOPS，对应参数分别为上一代产品的318%和230%。
 
STAR2000将存储和计算进行融合。薛立成表示，STAR2000集成8TOPS算力NPU，同时在片上实现硬件卷积、加速模块，结合片上强大的CPU系统和支持NVMe2.0协议里面的KV特性，可以做出存算一体SSD。
 

图源：电子发烧友网拍摄

 
“通过KV的特性，可以有效的减少用户API到我们盘上的访问路径。同时在芯片上，利用强大的算力计算，通过这些数据，我们可以把原来要先在主机端运算的运算工作下沉到盘上，并且把盘上的结果返还给主机，释放主机的计算压力。”薛立成说道。
 
此外，STAR2000能够为可信计算提供可信根，支持商密和国密标准SM2/SM3/SM4，支持可信启动、支持独立盘级TPCM，支持系统和数据信息上报可信中心，支持命名空间层的可信保护等功能。
 
数据闪存颗粒的老化和数据存储时间变长，甚至外界温度的变化，都会导致芯片上的数据会出现错误。为了能够保证数据正确读取的可靠性，忆芯在磁盘和主控芯片上提供可靠、完整的方案，包括SSD支持端到端的数据保护，磁盘上所有的SRAM和DRAM都有ECC保护。为了应对闪存出现错误，主控芯片提供4KB码长的LDPC纠错编码，同时可以支持最高4Bit的软Bit译码，让错误无处遁形。为了应对更极端、更恶劣的环境错误，主控芯片上还提供RAID6的数据保护，即使SSD的盘上有一块存储颗粒损坏，也可以把盘上所有的数据恢复回来。
 
除了STAR2000主控芯片的发布之外，现场还发布了高可靠版本STAR2008及高安全版本STAR2010，该系列主控芯片除通用数据中心之外，还可面向加固设备、可移动数据记录设备、恶劣环境存储设备、个人电脑等场景。
 
基于STAR2000主控芯片，忆芯科技展示了自研的最新一代PCIe4.0高性能企业级固态硬盘STAR2000E。忆芯科技软件首席架构师程雪表示，STAR2000E主要面向数据中心、存储服务器、云计算等市场，在一级国密安全、可信计算、固件加密和签名验签等高规格下，更能助力数据中心安全性提升。同时STAR2000E支持ZNS/NVMe Set/KV等先进企业级功能，能够提供更优的系统存储方案，将在批量化生产与商业化落地方面具备极高竞争力。
 

SSD如何将计算与存储巧妙融合？

STAR2000真正的核心计算分两个部分，一是Arm自带的浮点加速体系，可以为定制化的、专用的数学计算进行加速；还有内嵌的AI NPU，8TOPS算力，主要是进行AI的检测分类网络直接部署，也适配于现在市场上主流AI的研发方向。二是忆芯自研的矩阵计算、统计计算和数据索引的一系列加速器，这些都是做数据库业务对应的加速手段，可称为领域定制化设计。
 
把不同功能的硬件加速流片在一颗芯片上同时加以实现，保证数据通讯和交互的高效、节能，这是忆芯在架构上的创新。
 
为了让STAR2000搭载的8TOPS NPU模块和实现神经网络卷积的加速模块发挥极致性能，忆芯科技提出StarCompute存算一体架构。程雪解析，通常SSD插在电脑上客户运行算法程序，将获得6.8GB/s的性能，也就是PCIe传输通道的速率。如果将算法程序下沉到SSD里面来运行，SSD有强大的计算能力，也可以做硬件加速。以8T SSD为例，可以获得11GB/s带宽。
 
同时，如果客户的算法程序运行在计算CPU上，也会开发一些SDK，允许调用8TOPS NPU模块，还会提供StorageLink片内存储接口，通过这个接口计算CPU程序可以获得高达11G或者更高的存储带宽。
 
忆芯首席AI科学家孙唐博士解析，STAR2000片上共28颗CPU, 其中8核A55频率为1.8GHz，拆分成计算簇和存储簇，用于管理系统，星辰CPU做闪存通道控制的执行，根据相应的命令，把不同的数据分发到不同的闪存通道，16个通道每个通道都有一颗，前端还有软件定义的存储命令分发器，也有4个CPU，这28颗CPU负责系统的调度和管理。
 

图源：电子发烧友网拍摄

 
实现存算一体的融合，好处是整体计算效率相比主机，能耗降低15-30倍；整体交互效率高至接近主机端的4倍以上，这就是STAR2000D可计算存储带来的基础能力提升。
 
在一个以图搜图的场景中，四五百万人的数据底库的存储容量上只需要花不到1秒钟的时间就可以找到和搜索目标最相似的人员。
 
另一个例子是，某个接近千万人口的地级市，每三个月产生的人脸数据量达到了15000Tb，如果要在海量的数据中，找出某一个人员某一天的行动轨迹。如果用现有的百亿人像秒级比照系统，要把这15000Tb数据，从原来的硬盘导到原来的人像比对系统里都要三天半。但通过STAR2000D方案，在盘内完成AI计算、模式比对、结果排序、按时间空间过滤和最终输出。15000Tb的数据量可以已经分100万类，最终只需要输出150Mb的数据，就可以完成同样的目标。
 
孙唐进一步分析，实际应用中，不仅需要人工智能的分析，也包含了大量业务处理的数据存储和加载，数据读出以后，还要进行检索和比对；而在不同的应用中，我们需要用到不同的数据库，而不同的数据库的搜索和比对的形式是完全不同的。
 
对于这样的场景，忆芯是如何来加速对应的AI处理的呢？
 
AI为我们的千业百态提供了添加标签的能力，而这些标签代表了不同的数据，找到标签之后，通过聚类，存储到不同的存储空间领域，这时候如果有人想要检索一个目标，他只需要读取特定领域的存储数据，就可以完成一次检索。
 
在海量的大数据前提下，整体上的聚类数据虽然存储在介质中，它在同一个区域，但是通过索引检索的时候，返回的是海量的相同标签的数据，忆芯科技也是首创地在芯片上引入了比对计算加速，可以在芯片中直接找到最符合的目标，再把这个数据交给用户，极大地降低了整体传输的带宽和计算所需要的性能开销。
 
比较整体系统成本，传统的百万级别的以图搜图的应用需要用到一台将近三四千美金的服务器，12核CPU以及高达128T算力的GPU，而在发布会展示的忆芯的存算融合一体机上，仅需要1/4的成本，就可以做到同等性能的业务实施。而通过STAR2000D内置的CPU、板载的内存、片上的8T 算力NPU以及高性能SSD存储应用，可以把成本从服务器方案的1/4再缩减近一半。孙唐说，这对业内来说是一个颠覆性的创新，会对整个业态产生更具想象力的市场影响。
 

图源：电子发烧友网拍摄

 
忆芯科技从2016年开始进行基于存储控制器的计算加速方面的研发，并申请DeepSSD商标，申请了一系列国际国内专利。在人工智能实际落地过程中，AI模型不仅需要推理高效，同时还要保证数据传输的高效。信息交互的极简之道是存算融合，忆芯也将继续投入存算一体技术和产品的研发。
 

已与多家大型企业合作，应用前景广阔

 
忆芯科技拥有“主控+固件+算法+模组”的全方案整合能力和深度的定制化开发能力，为客户提供全栈式企业级存储方案。目前，多家知名厂商已经与忆芯展开合作。
 
神州数码与忆芯科技在信创市场展开合作。忆芯科技是神州数码重要的数字化转型合作伙伴，今后双方将在国防、安平、政府、金融、运营商等多方面展开全面合作，共助信创产业高质量发展。
 
百度和忆芯科技开展了多项合作，双方将于2023年推出NVMe Gen4 高性能企业级SSD应用来提升搜索速度和存储效率，并推进ZNS、KV技术应用商业化，满足更复杂化和多样化的数据存算。2024年，百度还将在数据中心导入SSD产品，全力满足云时代的智能存储。这些都表明，云时代的下半场就是存储的较量。
 
科大讯飞联合创始人/聆思科技董事长胡郁表示，数据是构成元宇宙的基本元素，算力则支撑着元宇宙虚拟内容的创作与体验，更加真实的建模与交互。因此，他非常期待未来与忆芯开展更多精彩的创新与合作，让存算一体芯片在元宇宙应用中得到更大发展。
 
据透露，忆芯科技的下一代产品将是一款面向数据中心的SSD主控芯片STAR1500（Moon），这颗芯片将首次采用更先进的工艺，支持PCIe5.0接口，以及片上自研的所有核心IP，整个芯片的架构将不断的升级，保证提供给客户更好的性能表现。
 
在大数据、人工智能产业日益蓬勃的当下，忆芯科技也呼吁产业链上下游携手推进计算、存储、人工智能之间的高效沟通，构建高性能存算融合的企业级应用以及数据基础设施。