平头哥发布首颗PCle5.0 SSD主控芯片镇岳510！4μs超低时、误码率领先行业标杆一个数量级！

11月1日，在2023云栖大会上，阿里巴巴平头哥发布旗下首颗为云计算场景深度定制的SSD主控芯片镇岳510，正式进军企业级SSD市场！

平头哥这颗SSD芯片

从性能看，可以支持3400K IOPS的能力，在业界属于第一梯队。一枚镇岳510的性能，相当于1万块高性能HDD的性能总和。

从能效比来说，每瓦功耗可提供420K IOPS的性能，是业界领先水平。

从时延角度看，实现了业界领先的超低的时延（4μs），比业界SSD降低30%以上。

从可靠性来说，误码率低至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，比业内标杆领先一个数量级。

从第一款当时全球性能最强的AI专用芯片含光800，到高性能RISC-V架构处理器玄铁910，再到首款CPU芯片倚天710，平头哥在给自家产品的取名上，就偏爱用中国上古和武侠中的“神兵利剑”来命名。而这次的镇岳510，更是玄铁所铸的高性能、高可靠、高能效及低延时的镇岳利剑！

阿里盘古遇上镇岳，必将所向披靡！平头哥SSD产品负责人周冠锋透露说，镇岳510马上就要进入量产阶段，将率先在阿里云数据中心部署。这颗取名镇岳510的芯片，定位于高端大端口企业级SSD，可应用于AI、在线分析、在线交易、大数据分析、高性能数据库等云上应用场景。

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首颗SSD芯片是如何炼成的

为什么这个时间点推出？

算力、网力、存力，共同构筑了云计算的基础。在云服务和AI计算需求逐渐旺盛的背景下，芯片的布局不仅关系着云厂商的成本，更是企业生态发展的重要一步。

为了满足云上业务的迅猛发展，网络正从25GE、100GE、200GE快速演进，并将进入400GE、800GE时代。而以SSD为代表的存力，同样面临着新的挑战和诉求。

SSD是计算机系统的核心存储部件，涵盖闪存芯片（数据的最终存储地）、内存芯片（用于暂存SSD内的众多管理表项、数据缓存）以及SSD主控芯片。SSD主控芯片是SSD的大脑，负责主机交互、协议解析与执行、数据读写、数据纠错、数据管理、后台任务、带外管理等。可以说，SSD的功能、性能与可靠性均由其实现。

SSD每隔三四年会进行一次产品迭代演进。之前会从PCle3.0、 PCle4.0到今天，2023年是SSD从PCle4.0到PCle5.0的一个演进节点。

周冠锋表示：“因此，平头哥就提前规划了这颗PCle5.0的SSD芯片来应对市场上的这个趋势。”

镇岳510，是一颗怎样的芯片？

镇岳510采用平头哥自研的芯片架构，内置高性能的玄铁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。FTL关键任务则运行于玄铁910CPU以保持灵活性。

整个资源架构里面大量的采用了硬件加速模块，可以实现非常高的性能，实现了很高的能效比。因为独创设计了创新的前端IO硬件自动处理机制，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），比业界SSD降低30%以上。不仅如此，镇岳510芯片内实现了IO/SYS/GC的全链路隔离，极大的降低这些任务之间的相互干扰，提供了既低又稳定的时延表现。

此外，镇岳510内置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；同时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。

绿色、减碳是云数据中心的一贯追求。以更低的功耗，提供更高的性能，是SSD的重要挑战。镇岳510每秒可处理高达340万笔IO，一枚镇岳510的性能，相当于1万块高性能HDD的性能总和。

此外镇岳510拥有极高的能效比，每瓦功耗可提供42万笔IO访问。以一个部署了10万块SSD的数据中心为例，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。

平衡灵活性和高效能的关键：软硬件协同发展

SSD主控芯片其实也是一种SOC, 它内部既有硬件模块，也有CPU核。事实上，SSD主控芯片并不是一种标准化的设计，每一家公司的设计方案都不太相同。业界SSD主控芯片的架构设计有两大趋势，一种类似纯SOC, 即由软件主打的设计方案；另一类是软硬件结合的设计方案。

镇岳510属于后者。

周冠锋介绍说，镇岳510自2021年上半年立项后，耗费了非常长的时间去反复论证芯片的架构设计。芯片设计其实是一个权衡的过程，如果把过多的功能卸载，使用硬件加速来实现的话，那么这颗芯片的灵活性就会比较差。但如果把过多的功能交由CPU软件来使用的话，它的灵活性同样会比较差。如果既能通过硬件加速获得高效的同时，仍能保留使用CPU来运行一些关键的软件任务，这样获得的灵活性将会大大提高。

镇岳510采用的是平头哥自研的芯片架构。这颗芯片支持PCle5.0的主机接口，支持DDR5.0的内存接口，内置了高性能的RISC-V CPU。此外，整个资源架构里面采用了比较独特的硬件加速模块，在应用中进行大量的卸载加速，能实现高性能与低能耗。

所以镇岳510可以实现非常高的性能。大批量的硬件加速模块的使用，极大的提高了产品的能效比，达到每瓦420k IOPS性能。除此之外，镇岳510还实现了非常低的访问时延。这也是因为平头哥独创的设计了前端IO的硬件自动处理机制。

在EETOP特别针对RISC-V的提问中，周冠锋最后总结说到：“RISC-V这颗CPU和它的指令集都非常精简，运行效率也很高，同时它还是开源的，所以平头哥SSD芯片的设计团队最终选择了我们认为一个最平均、最平衡的一个设计方案。”

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镇岳510，为云做了哪些定制

首先，在传统的系统方案中，SSD与存储系统分离设计。SSD负责底层闪存数据排布，但由于没有存储语义而无法达到最佳排布；SSD负责后台任务，但无法判断最佳启停时机；而存储系统有存储语义却无法排布闪存数据，有最佳时机却无法启停SSD后台任务。上下的割裂给整个存储系统的性能与寿命带来了额外消耗，这被称为“SSD接口税”。

解决办法就是ZNS。它是一种标准的协议接口，2021年5月被收入NVMe2.0协议中，并得到了SPDK、Linux以及各设备商的支持。ZNS通过将盘内FTL层上移至存储系统，达到了存储系统与闪存特性的完美匹配，消减了“SSD接口税”。

镇岳510完美实现了ZNS协议，通过灵活的硬件表项加速保持了高IO性能，而Zone分区状态则交由玄铁910CPU维护，保留了对新协议的灵活性。此外，镇岳510定制了Last Sector 随机写功能，实现了小报文的多次反复下盘，简化了ZNS的应用难度。

其次，数据请求可以分为带宽敏感型与时延敏感型，不同的请求应予以不同的处理策略，才能达到业务最佳SLA。NVMe规范中制定了以队列为粒度的标准SQ调度机制，但其灵活性较差，对于业务种类复杂、追求灵活可配的云存储系统来说，它并不是最佳选择。

镇岳510在支持NVMe标准的SQ调度机制的同时，额外定制了基于IO粒度的优先级调度机制，允许系统按IO打标，优先级种类多达8级，结合云存储系统，能够更好的保障延迟敏感型业务的服务质量。

此外，云存储系统的完整数据链路，从计算端开始，通过网络到存储服务器，再通过内部互联到达SSD。为了保障数据的高可靠，全链路应采用语义一致的完整性校验。但NVMe规范只规定了以Sector为单位按照T10 DIF/DIX的校验机制，与存储系统的语义并不相同，因此SSD的校验与存储系统的校验产生了差异。

镇岳510以IO为粒度，遵循上层存储语义进行校验，补齐了整个存储系统的数据链路校验的最后一环。不仅如此，镇岳510还支持以存储语义对内部数据进行后台巡检，而无需再读出至服务器，节省了宝贵的PCIe带宽、服务器内存带宽与CPU算力。

周冠锋介绍说，因为云厂商，尤其是阿里云拥有全栈的软件的核心技术。所以在这种情况下，平头哥有机会通过阿里云与软件栈和底层芯片之间做配合，来实现更好的特性，更好的实现云上应用性能的提升。并且，随着云技术进入深水区，云开始与底层芯片全方位融合联合设计，可提供更好的用户体验。

不过，镇岳510的生命力肯定不仅仅在阿里云上止步。镇岳510其实是为云上应用做优化的，它不仅仅可以适用于阿里云。因其具备的更强存力、更高可靠等特点，可通过为云定制，带来更优秀的存储体验。

周冠锋表示：“其实在外部的不同的云环境下都是适用的。只是，镇岳510会首先在阿里云上上线使用！”

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结束语

平头哥的业务重心是在数据中心领域的芯片开发。数据中心领域的芯片，一类是纯计算类芯片，一类是存储类芯片。此前平头哥推出过多款性能强劲的芯片，如含光800 AI专用推理芯片、倚天710首款通用CPU芯片等。但它们都属于算力芯片，而这一次平头哥实现对自己的突破，设计出自己的第一颗企业级SSD芯片，补齐其在存储领域的空白。相信对平头哥来说，是一次里程碑式的突破。

忆平头哥初创的决心：要为国内的芯片行业贡献出自己的一份力量。自2019年成立以来，短短几年时间，平头哥一次又一次为***交上力满意的佳作，刷新业界对平头哥的认知，更刷新大家对中国芯片企业实力的认知！

平头哥已经掌握了SSD主控芯片设计的全部技术。一颗芯片要想有更强的生命力，就需要对它的应用场景有深入的理解，才能更好的用在用户场景下。平头哥对阿里巴巴的业务，尤其是阿里云业务有更深刻的理解。平头哥跟阿里云联合定制，使得这颗芯片在云上应用的时候，可以让整个存储系统的性能、能效和服务质量更好。

对于平头哥在SSD领域未来的发展，周冠锋表示：“我们还将继续沿着高端企业级这条路线进行演进，不过不会拓展到消费级和车规工规级。”