حذف پردازنده از مسیر ذخیره‌سازی هوش مصنوعی؛ FADU فایل‌سیستم را به درون حافظه SSD منتقل می‌کند

• حافظه FS-SSD شرکت FADU فرایند جستجوی مسیر فایل، بررسی مجوزها و نگاشت فایل به حافظه فلش را به‌جای پردازنده میزبان، در سفت‌افزار داخلی خود اجرا می‌کند.
• درخواست‌های پروتکل NFSv3 درون دستورهای استاندارد NVMe قرار می‌گیرند؛ در نتیجه کارت‌های گرافیک، پردازنده‌های DPU و کلاینت‌های راه دور می‌توانند بدون نیاز به فایل‌سیستم میزبان به فایل‌ها دسترسی داشته باشند.
• رکورد چشمگیر ۴۶۰ هزار عملیات در ثانیه این درایو در بستر PCIe 5.0 ثبت شده است و نتایج مربوط به PCIe 6.0 تا اوایل سال ۲۰۲۷ منتشر خواهد شد.

شرکت کره‌ای FADU که در زمینه طراحی کنترلرهای حافظه فعالیت می‌کند، از نوعی حافظه SSD رونمایی کرده است که به‌جای بلوک‌های خام، فایل‌ها را مستقیماً درک می‌کند. این شرکت بر این باور است که گلوگاه بعدی ذخیره‌سازی داده‌ها در هوش مصنوعی، پهنای باند خام نیست؛ بلکه زمانی است که پردازنده مرکزی (CPU) برای یافتن محل ذخیره داده‌ها تلف می‌کند.

این حافظه با نام File-Semantic SSD (به اختصار FS-SSD) در جریان رویداد OCP Global Summit معرفی شد و وظایف جستجوی فایل، بررسی دسترسی‌ها و ترجمه فایل به نشانی‌های فیزیکی را به سفت‌افزار کنترلر نسل ششم FADU منتقل می‌کند.

در سند فنی رسمی FADU وعده داده شده است که پردازنده‌های گرافیکی (GPU)، واحدهای پردازش داده (DPU) و کارت‌های شبکه مسیری مستقیم به فایل‌های خود خواهند داشت؛ مسیری که در آن «هیچ نیازی به سیستم فایل میزبان، لایه بلوکی یا پردازنده سرور ذخیره‌سازی» وجود ندارد. با این حال، نمونه‌های آزمایشی این محصول برای شرکای تجاری زودتر از سه‌ماهه سوم سال ۲۰۲۷ عرضه نخواهد شد.

نخستین تلاش برای رفع «مشکل پردازنده» نیست

شرکت FADU تازه‌وارد دنیای حافظه‌های فلش سازمانی نیست. کنترلر نسل پنجم این شرکت در درایو SN861 قرار دارد؛ محصولی که توسط Western Digital عرضه شد و اکنون تحت برند SanDisk به فروش می‌رسد. این شرکت سال گذشته و تنها چند هفته پس از معرفی کنترلر Sierra PCIe 6.0 اعلام کرد که قرارداد تأمین کنترلر با دو ابرشرکت از چهار ارائه‌دهنده بزرگ خدمات ابری منعقد کرده است.

با این وجود، ایده FADU کاملاً جدید نیست و شرکتی نام‌آشنا نیز در همین مسیر گام برداشته است: شرکت Nvidia. کمپانی Nvidia سال‌هاست تلاش می‌کند از سمت دیگر گذرگاه PCIe همین چالش را برطرف کند. فناوری GPUDirect Storage سال‌ها پیش پردازنده اصلی را از مسیر انتقال داده کنار گذاشت و به درایوها امکان داد داده‌ها را مستقیماً به حافظه GPU منتقل کنند؛ اما نرم‌افزار میزبان همچنان تصمیم می‌گیرد چه داده‌ای خوانده شود و تمام درخواست‌ها را صادر می‌کند.

تصمیم Nvidia برای متن‌باز کردن ابزار cuFile و انتقال این مسیر کنترلی به GPU، با تحمیل سربار پردازشی روی شتاب‌دهنده‌ها همراه شد؛ درست در شرایطی که FADU تلاش دارد همین مشکل را از سمت درایو ذخیره‌سازی مهار کند.

بر اساس گزارش FADU، آزمایش‌های این شرکت نشان می‌دهد که سیستم فایل و لایه بلوکی سیستم میزبان در بارهای کاری خواندن تصادفی تحت GPUDirect Storage، حدود ۳۰ درصد از توان پردازنده مرکزی را مصرف می‌کنند؛ هرچند این ادعا هنوز توسط مراجع مستقل اعتبارسنجی نشده است. شرکت FADU هم‌چنین استدلال می‌کند که روش‌های فعلی دور زدن پردازنده، تنها با نادیده گرفتن کامل مفهوم فایل و روی آوردن به بلوک‌های خام موفق به انجام این کار می‌شوند.

این فناوری چگونه کار می‌کند؟

شرکت FADU به‌جای ابداع یک زبان یا پروتکل کاملاً جدید، از راهکاری قدیمی و آزمایش‌شده بهره برده است. پروتکل NFS (سرنام Network File System) دهه‌هاست به رایانه‌ها امکان می‌دهد فایل‌های ذخیره‌شده در سایر سیستم‌ها را باز کنند. درایو FS-SSD درخواست‌های NFS مانند جستجوی نام فایل یا خواندن بخشی از آن را درون دستورهای استاندارد NVMe قرار می‌دهد که درایوهای SSD امروزی از آن پشتیبانی می‌کنند.

این دستورها می‌توانند از درون همان سرور یا از طریق نسخه تحت شبکه NVMe موسوم به NVMe-oF، از سایر سرورهای موجود در مرکز داده ارسال شوند. طراحان FADU نسخه سوم NFS (یا همان NFSv3) را به سه دلیل برگزیده‌اند: این نسخه با داشتن تنها ۲۱ دستور بسیار جمع‌وجور است، با تمام سیستم‌عامل‌ها سازگاری دارد و به‌صورت Stateless عمل می‌کند؛ یعنی هر درخواست تمام اطلاعات لازم را با خود حمل می‌کند و درایو نیازی به نگهداری سابقه باز بودن فایل‌ها ندارد.

علاوه بر این، FADU دو مرحله موقعیت‌یابی داده را که به‌صورت معمول جداگانه انجام می‌شدند، با یکدیگر ترکیب کرده است. در سیستم‌های معمولی، ابتدا سیستم فایل رایانه مشخص می‌کند کدام بلوک شماره‌گذاری‌شده حامل هر بخش از فایل است، سپس نرم‌افزار داخلی SSD به نام لایه ترجمه فلش (FTL) تعیین می‌کند که آن بلوک دقیقاً در کجای تراشه‌های فلش قرار دارد.

درایو FS-SSD هر دو وظیفه را با تکیه بر یک لایه یکپارچه مبتنی بر F2FS انجام می‌دهد؛ سیستم فایلی لینوکسی که به‌طور ویژه برای حافظه‌های فلش طراحی شده و با ساختار فیزیکی این تراشه‌ها هماهنگ است. در این حالت، یک جدول نگاشت منفرد درایو را مستقیماً از نام فایل به محل دقیق ذخیره فیزیکی آن هدایت می‌کند و این جدول حجم بسیار کمتری دارد. یک SSD معمولی به ازای هر ترابایت حافظه فلش حدود یک گیگابایت حافظه رم (DRAM) دارد که تقریباً تمام آن با جدول بلوک‌ها پر می‌شود. درایو FS-SSD از همین میزان DRAM استفاده می‌کند، اما FADU مدعی است حدود ۹۵ درصد این حافظه آزاد می‌ماند تا مشخصات فایل‌های پرکاربرد همیشه در دسترس سریع سیستم باشد.

این ساختار فرایند پاک‌سازی حافظه را نیز بسیار ساده‌تر می‌کند. حافظه‌های فلش توانایی بازنویسی مستقیم روی داده‌های قدیمی را ندارند؛ از این رو درایوها به‌طور پیوسته داده‌های معتبر را جابه‌جا کرده و بلوک‌ها را پاک می‌کنند؛ فرایندی که به‌عنوان جمع‌آوری داده‌های زاید (Garbage Collection) شناخته می‌شود.

هنگامی که F2FS روی یک رایانه معمولی اجرا می‌شود، سیستم فایل و خود درایو SSD هر کدام عملیات پاک‌سازی مجزایی انجام می‌دهند که باعث اتلاف توان و تداخل کار یکدیگر می‌شود. در درایو FS-SSD تنها یک فرایند پاک‌سازی یکپارچه انجام می‌گیرد که بنا بر اعلام FADU، ضریب تقویت نوشتن (Write Amplification) را در مقایسه با اجرای سنتی F2FS تا ۶۳ درصد کاهش می‌دهد. کاهش این ضریب به معنی استهلاک کمتر تراشه‌های فلش و افزایش طول عمر درایو است؛ هرچند این آمار ۶۳ درصدی از شبیه‌سازی روی نرم‌افزار NVMeVirt (ابزار شبیه‌ساز SSD متعلق به دانشگاه ملی سئول) به دست آمده و هنوز روی درایو واقعی آزمایش نشده است.

در ارزیابی‌های اولیه FADU، زمانی که پردازنده سرور از ۱۶ هسته به تنها یک هسته تقلیل یافت، توان پردازش فایل از راه دور در سطح حدود ۴۶۰ هزار عملیات در ثانیه ثابت باقی ماند؛ در حالی که عملکرد یک سرور معمولی لینوکس مبتنی بر NFS از حدود ۱۵۰ هزار عملیات به ۴۰ هزار عملیات سقوط کرد.

البته این سنجش‌ها بدون محدودیت نبوده‌اند. درایو نسل ششم FADU روی یک سیستم مجهز به گذرگاه PCIe 5.0 آزمایش شده است؛ بنابراین سرعت خواندن متوالی به حدود ۱۴٫۱ گیگابایت بر ثانیه محدود شد که حداکثر توان نظری پیوند نسل پنجم به‌شمار می‌رود؛ در حالی که درایوهای واقعی نسل ششم نظیر درایو ۹۶۵۰ شرکت Micron با سرعت خواندن ۲۸ گیگابایت بر ثانیه هم‌اکنون به تولید انبوه رسیده‌اند.

هم‌چنین سیستم‌های فرستنده و گیرنده در این آزمایش از پردازنده دسکتاپ Core i5-13600K شرکت Intel با ۱۲۸ گیگابایت حافظه DDR5 و کارت شبکه ۱۰۰ گیگابیت ConnectX-6 استفاده می‌کردند. از آنجا که این پردازنده ۱۴ هسته فیزیکی و ۲۰ رشته پردازشی دارد، به احتمال زیاد آزمون FADU تعداد رشته‌ها را به‌جای هسته‌های فیزیکی ملاک قرار داده است.

نخستین اس‌اس‌دی مبتنی بر درک فایل؛ ایده‌ای با پیشینه قبلی

شرکت FADU درایو FS-SSD را نخستین حافظه SSD مجهز به فهم معنایی فایل در جهان می‌نامد و شاید این درایو اولین نمایش سخت‌افزاری عملیاتی از این دست باشد، اما اصل ایده چندان جدید نیست. مقاله پژوهشی DevFS در سال ۲۰۱۸ از سیستم فایل با دسترسی مستقیم سخن گفت که «به‌صورت کامل درون دستگاه ذخیره‌سازی جاسازی شده بود»هرچند پژوهشگران آن را صرفاً به‌شکل یک نمونه شبیه‌سازی‌شده آزمایش کرده بودند.

کنسرسیوم NVM Express پیش از این مجموعه دستورهای کلید-مقدار (Key-Value) را استاندارد‌سازی کرده است که داده‌ها را بر پایه کلید و نه نشانی بلوک‌ها مکان‌یابی می‌کند؛ هم‌چنین شرکت SK hynix با همکاری آزمایشگاه ملی لوس آلاموس یک درایو محاسباتی ذخیره‌سازی کلید-مقدار را توسعه داده است. با این حال بر خلاف دستورهای کلید-مقدار، درایو FS-SSD هنوز از هیچ استاندارد بین‌المللی مصوبی پیروی نمی‌کند. شرکت FADU هنوز استاندارد دستورهای معنایی فایل را به NVM Express یا پروژه OCP Storage ارسال نکرده است؛ بنابراین در حال حاضر هر مشتری برای استفاده از آن نیازمند نرم‌افزار اختصاصی FADU خواهد بود.

هدف بلندمدت FADU ساخت محفظه‌های حافظه فلش است که در مسیر ارتباطی آن‌ها چیزی جز یک سوییچ PCIe و یک کارت شبکه پیشرفته DPU به‌همراه شتاب‌دهنده سخت‌افزاری پروتکل NVMe-oF قرار نداشته باشد. طراحی مرجع این زیرساخت بر پایه کارت شبکه 800G E1 DPU محصول Xsight Labs پیاده‌سازی شده و تا اواخر سال ۲۰۲۷ به نمایش درمی‌آید.

مدل‌سازی‌های FADU نشان می‌دهد که این سامانه در یک ساختار ۱۶ درایوی در مقایسه با سرورهای ذخیره‌سازی سنتی، حدود ۴۲ درصد مصرف انرژی کمتر و ۵۷ درصد هزینه پایین‌تر به‌همراه خواهد داشت؛ البته این ارقام صرفاً برآورد هستند و بر پایه آزمایش‌های واقعی سنجیده نشده‌اند. سیستم‌های ذخیره‌سازی فلش متکی بر DPU پیش از این نیز وجود داشته‌اند؛ برای نمونه می‌توان به سامانه JBOF شرکت Supermicro مجهز به تراشه BlueField شرکت Nvidia اشاره کرد، اما آن سامانه‌ها نرم‌افزار ذخیره‌سازی را روی هسته‌های Arm موجود در DPU اجرا می‌کنند؛ در حالی که FADU می‌خواهد خود درایوها پردازش و تحویل فایل‌ها را مستقیماً بر عهده بگیرند.

به گزارش نشریه کره‌ای The Herald Business، نام یی-هیون، مدیرعامل FADU، اعلام کرده است که این شرکت از درایو FS-SSD به‌عنوان «سکوی پرتابی برای تبدیل شدن به رهبر راهکارهای ذخیره‌سازی هوش مصنوعی» بهره خواهد برد. گلوگاهی که FADU انگشت روی آن گذاشته یک معضل واقعی در مراکز داده است و اتکا به پروتکل پایدار NFSv3 به‌جای اختراع چرخ از نو، نقطه شروع هوشمندانه‌ای به نظر می‌رسد.

با این همه، واقعیت فعلی صرفاً به یک سکوی آزمایشی بر پایه PCIe 5.0، داده‌های شبیه‌سازی‌شده پیرامون کاهش استهلاک و محاسبات تئوری روی کاغذ خلاصه می‌شود؛ در حالی که مذاکرات تجاری با سازندگان بزرگ سرور (OEM و ODM) هنوز در مراحل ابتدایی است. داده‌های عملکردی در بستر نسل ششم PCIe که FADU وعده انتشار آن‌ها را تا سه‌ماهه نخست سال ۲۰۲۷ داده است، نخستین معیار واقعی برای سنجش این نوآوری خواهد بود: اینکه آیا درایوهای SSD واقعاً می‌توانند وظایف سنگین پردازنده مرکزی را با حداکثر سرعت در زیرساخت‌های هوش مصنوعی مدیریت کنند یا خیر.