Что такое Samsung Smart SSD?

Корейская компания Samsung широко известна на весь мир, причем, не только производством бытовой электроники и смартфонов, но и в области передовых IT-решений. В сфере серверного оборудования особенно большой популярностью пользуются решения Samsung, предназначенные для хранения данных, в частности SSD накопители. Но если о стандартных M.2 дисках знает практически каждый, то о таких решениях, как Samsung Smart SSD, знают немногие — они позволяют снять лишнюю нагрузку с центральных процессоров, освободив их для выполнения более востребованных задач. Сегодня мы поговорим о том, что из себя представляют накопители Samsung Smart SSD, в чем их особенности, какие у них характеристики, а поговорим о втором поколении Smart SSD, о которых мало что известно. 

Современные центральные процессоры выполняют огромное количество различных задач — от общих вычислений и управления компонентами до выполнения хост функций в рамках инференса и обучения искусственного интеллекта. И несмотря на то, что CPU с каждым годом совершенствуются, становясь все более и более производительными, нагрузка на процессоры растет их вычислительных ресурсов не хватает на весь пул задач. Однако, выход есть — перераспределить задачи CPU на другие компоненты, сделав их полноценными вычислительными единицами. Впервые в широком применении такая функция появилась в DPU, которые разгружают процессор на уровне сетевого адаптера. Теперь же компания Samsung решила предложить новый тип компонентов с функцией вычислений — накопители Smart SSD с интегрированной микросхемой FPGA. 

Чтобы лучше понять, как работают накопители Samsung, стоит рассказать о компоненте, которые из обычных SSD делают передовые Smart SSD — встроенная FPGA-схема. FPGA — это так называемая вентельная программируемая матрица, которая также нередко обозначается как программируемая логическая схема. Если обычные логические схемы, например, процессоры, могут выполнять широкий спектр операций, то FPGA заточены под один конкретный тип задач, нередко справляясь с этой задачей даже лучше и энергоэффективнее, чем CPU. FPGA не просто так называется программируемым. Пользователи могут самостоятельно менять сценарий использования чипа, при этом не меняя аппаратную часть устройства — нужно всего лишь загрузить подходящий код. А благодаря наличию собственной оперативной памяти, в которой хранится текущая конфигурация устройства, FPGA-схему можно перепрограммировать бесконечное количество раз. 

Samsung Smart SSD, выпущенный в 2020 году, представляет собой NVMe-диск с форм-фактором U.2(PCIe 3.0) и объемом 3,84 ТБ, в который был интегрирован FPGA-чип Xilinx Kintex Ultrascale+ KU15P. Благодаря наличию функции ускоренного прозрачного сжатия данных, диск может хранить данные объемом вплоть до 12 ТБ. Схема Xilinx Kintex, которая с 2023 года выпускается под брендом AMD, имеет 1.143 миллиона логических ячеек, 4 ГБ DDR4-2400 SDRAM. Также схема имеет аппаратный модуль ускорения обработки сигнала. Xilinx Kintex обеспечивает скорость последовательного чтения до 3500 МБ/с и скорость последовательной записи до 3200 МБ/с. Производительность в операциях с произвольным доступом достигает 800 000 IOPS в режиме записи и 135 000 IOPS в режиме чтения. Энергопотребление FPGA-чипа составляет всего 25 Вт. 

В отличие от многих других FPGA, программирование которых является очень неудобным и трудоемким процессом из-за требования к знанию HDL-языков, Xilinx Kintex Ultrascale+ KU15P можно легко конфигурировать через платформу AMD Vitis, используя распространенные языки программирования, вроде C, C ++ и OpenCL. Помимо этого, компания Xilinx разработала высокопроизводительное и удобное в развертывании решение для шифрования данных, основанное на dm-crypt. Используя стандартные модули ядра Linux, разработчики SmartSSD CSD могут использовать библиотеки Vitis для создания готовых приложений для ускорения, которые легко масштабируются сразу на нескольких накопителях SmartSSD CSD.

Интересно, что накопители Samsung Smart SSD можно перепрограммировать для работы с такими приложениями, как СУБД PostgreDB, которая широко используется совместно с программными комплексами 1С Предприятие. Это не единственный сценарий использования Smart SSD — компания Samsung заявляет о следующих сферах применения:

• Транскодирование видео;
• Обработка больших данных;
• Распознавание объектов;
• Анализ данных в реальном времени;
• Работа с искусственным интеллектом.

По всей видимости, Smart SSD особенно хорошо себя показывает в работе с видео — Samsung привела результаты тестов с использованием 3 умных накопителей в серверной системе для транскодирования видеоматериалов. Тест показал, что Smart SSD позволили снизить нагрузку на процессор сервера на 87%, а количество кодируемых кадров в секунду в разрешении 1920x1080p увеличилось на 20%. Также Samsung отмечают, что такой колоссальный процент снижения нагрузки на ядра позволяет освободить CPU для множества более важных задач, тем самым уменьшая стоимость владения ввиду снижения потребности в приобретении дополнительных процессоров. 

Samsung также отмечает пользу накопителей Smart SSD в таких направлениях, как биология и генная инженерия, финансовый сектор и коммерческие хранилища данных. Источник: Samsung.

По заявлению компании, в других типах задач, таких как операции с искусственным интеллектом или работа с базами данных, выполнение задач может ускорятся до 10 раз при использовании Samsung Smart SSD. Еще один неочевидный плюс Samsung Smart SSD — экономия линий PCIe и пространства: другие ускорители (например, GPU или внешние FPGA) устанавливаются обособленно, расходуя линии PCIe CPU. В свою очередь, Smart SSD использует уже задействованные для хранения данных линии PCIe, освобождая их для дополнительных накопителей или сетевых интерфейсов. Кроме того, высокая производительность FPGA-ускорителя может масштабироваться в зависимости от объема данных и количества накопителей, тем самым устраняя узкие места PCIe, обеспечивая почти линейное масштабирование даже при перегруженном CPU. 

Благодаря всем этим выдающимся преимуществам, накопители Samsung Smart SSD даже получили премию Innovation Awards Honoree на выставке CES 2021 за выдающуюся производительность и энергоэффективность, что также подчеркивает революционный потенциал этих умных накопителей. С учетом таких достижений, неудивительно, что в 2022 году Samsung анонсировала второе поколение накопителей Smart SSD.

Во втором поколении Smart SSD, компания Samsung основательно пересмотрела подход к созданию своих умных накопителей. В первую очередь, Samsung решила использовать не FPGA-схемы, а полноценные SoC-процессоры с возможностью конфигурирования — AMD Xilinx Versal с энергоэффективными ядрами ARM. Неизвестно, какую именно модель Xilinx Versal будут применять во втором поколении Smart SSD, однако, Samsung заявляет о 50% сокращении времени вычислений, сокращении энергопотребления на 70% и уменьшении нагрузки CPU на колоссальные 97%. 

Samsung также отметили, что Smart SSD 2nd Gen будут в большей степени ориентированы на область машинного обучения и искусственного интеллекта, тогда как первое поколение показало себя наиболее эффективно в обработке видео. По всей видимости, новые решения также будут использоваться в секторе телекоммуникаций, так как компания также обозначила наличие поддержки стандартов связи 5G и 6G. Чтобы обеспечить совместимость с современными серверными системами, разработчики добавили во второе поколение Smart SSD поддержку специального форм-фактора EDSFF для предприятий и дата-центров, чем и обуславливается необычный внешний вид накопителей. Однако, накопители Samsung Smart SSD имеет весьма необычный коннектор, который отличается от других устройств с форм-фактором EDSFF, поэтому точно назвать форм-фактор умных накопителей затруднительно. Также примечательна внутренняя компоновка SmartSSD — по сути, они состоят из накопителя PM9A3 M.2 в формате 22110, который интегрирован в плату-адаптер с чипом SoC-чипом AMD Xilinx Versal. 

Samsung также активно сотрудничает с другими производителями хранилищ данных ассоциации SNIA, чтобы стандартизировать технологии Smart SSD и продвигать эти накопители для применения в широком спектре устройств. Несмотря на отсутствие официального релиза, Samsung SmartSSD 2nd Gen, по всей видимости, уже вышли, но реализуются в рамке закрытых проектов и доступны только для партнеров компании. Возможно, массовый выход на рынок произойдет только после масштабной стандартизации умных накопителей.

Samsung удалось опередить свою эпоху и создать тип устройств, польза которых будет расти с каждым годом по мере увеличения нагрузок на CPU. Особенно большой интерес вызывает закрытая реализация второго поколения Samsung Smart SSD — неужели эти устройства настолько хороши, что даже малый и средний бизнес не может приобрести накопители с функцией вычисления? В эпоху, когда небольшие компании, такие как DeepSeek, могут внезапно стать лидерами индустрии искусственного интеллекта, корпоративная реализация передовой продукции может негативно влиять на развитие индустрии, препятствуя росту перспективных стартапов. Тем не менее, вполне возможно, что в будущем, когда даже пользовательские CPU будут подвергаться большой нагрузке, Samsung все же выпустят свои умные накопители на массовый рынок, либо конкуренты успеют выпустить собственный аналог этого решения.