FADU đột phá đưa hệ thống file thẳng vào ổ cứng SSD

Thiết kế controller SSD FADU vừa công bố công nghệ File-Semantic SSD (FS-SSD) mới tại OCP Global Summit 2026. Thiết bị mới này hứa hẹn sẽ di chuyển hệ thống file vào thẳng bên trong ổ SSD. Như được trình bày chi tiết trong tài liệu kỹ thuật, điều này cho phép GPU, DPU và NIC mở và đọc file mà "không cần hệ thống file của host, không cần lớp block và không cần CPU của máy chủ lưu trữ nằm trên đường đi." FADU cho biết họ dự kiến sẽ cung cấp các mẫu thử cho đối tác vào quý 3 năm 2027.

FADU là một công ty thiết kế controller SSD không có nhà máy (fabless) có trụ sở tại Seoul, Hàn Quốc. Công nghệ FS-SSD của họ được thiết kế để xử lý và cải thiện đường dẫn điều khiển, trong khi đường dẫn dữ liệu đã chuyển sang các bộ tăng tốc từ nhiều năm trước. Các đo đạc của FADU cho thấy hệ thống file, cộng với các lớp block, có thể chiếm khoảng 30% chu kỳ CPU trong tác vụ đọc ngẫu nhiên GPUDirect Storage (GDS). Công ty lưu ý rằng các tùy chọn bỏ qua (bypass) thường phải đánh đổi các file, và giải pháp của họ mang lại điều tốt nhất từ cả hai phía.

Trong bài kiểm tra Network File System (NFS) trên NVMe sơ bộ của riêng FADU, trên một ổ cứng được xây dựng dựa trên controller FC6161 Gen6 của họ trong một host PCIe 5.0, thông lượng file từ xa vẫn giữ vững ổn định khi máy chủ hạ từ 16 nhân xuống chỉ còn một nhân, duy trì khoảng 460.000 thao tác mỗi giây (ops/s).

Các thao tác NFSv3 được truyền tải bên trong các lệnh NVMe tiêu chuẩn, và ổ cứng sẽ xử lý việc tra cứu đường dẫn, kiểm soát truy cập và ánh xạ file vào flash. Hiệu suất của FS-SSD rất đáng chú ý khi so sánh với Linux NFS-over-RDMA, vốn chỉ đạt một phần ba số ops/s với 16 nhân và chỉ đạt 40.000 ops/s với một nhân. Công nghệ này vẫn đang "được phát triển tích cực," và FADU cho biết họ kỳ vọng có kết quả trên host Gen6 vào quý 1 năm 2027, cùng với các mẫu thử cho đối tác vào quý 3 năm 2027.

FADU chọn sử dụng NFSv3 vì nó "nhỏ gọn (21 thao tác), không phụ thuộc vào hệ điều hành hay hệ thống file, và không có trạng thái" với chi phí firmware thấp. FS-SSD hiện hỗ trợ PCIe, với NVMe-oF qua RDMA và TCP hoạt động mà không cần thêm giao thức truyền tải nào mới. Việc sử dụng lại một giao thức hiện có là một bước đi thông minh. Dưới lớp vỏ, hệ thống file và lớp dịch chuyển flash được hợp nhất với một lớp file bắt nguồn từ F2FS. Các khối node và dữ liệu được căn chỉnh với các trang flash tự nhiên, các phần tại các đơn vị xóa tương ứng, sao cho bảng node F2FS trở trành một "File Map" trỏ các ID node đến các địa chỉ flash vật lý.

Một ưu điểm lớn là chi phí metadata ánh xạ DRAM nhỏ hơn đáng kể: nó sử dụng lượng DRAM tương đương với một ổ SSD tiêu chuẩn, khoảng 0,1% dung lượng NAND (khoảng 1 GB mỗi TB), trong khi SSD tiêu chuẩn dùng hầu hết dung lượng này cho bảng ánh xạ của nó. Ở đây, phần lớn DRAM đó, khoảng 95%, có thể hoạt động như một bộ nhớ đệm node đường dẫn nóng (hot-path node cache).

Kiến trúc và hiệu năng tối ưu

Một bộ thu gom rác (garbage collector) thay thế cho hai, tránh được điều mà FADU gọi là "thu gom rác kép" (double GC) của F2FS trên host, nơi việc dọn dẹp hệ thống file và thu gom rác của ổ cứng khuếch đại lẫn nhau. Độ khuếch đại ghi cũng thấp hơn 63% so với giải pháp F2FS trên host trong tác vụ kết hợp tuần tự và ngẫu nhiên với nguyên mẫu nghiên cứu của FADU.

Quan trọng nhất đối với phương pháp này là nó đảm bảo quyền truy cập không cần host. GPU xây dựng các lệnh NFS-over-NVMe trong các hàng đợi ở bộ nhớ riêng của nó, có thể bao gồm HBM. Ngoài ra, một SmartNIC hoặc DPU từ xa với tính năng offload đích NVMe-oF có thể đưa các lệnh vào hàng đợi gửi của ổ cứng. Dữ liệu đi từ SSD sang NIC thông qua PCIe peer-to-peer DMA, xuất ra dưới dạng RDMA writes. Các trường hợp sử dụng được FADU nêu rõ bao gồm đọc file và kiểm tra trạng thái GPU, phân phối nội dung HTTP do DPU phục vụ, và máy chủ file JBoF (just a bunch of flash).

Số liệu của FADU cho bài kiểm tra nội bộ đến từ CPU Intel Core i5-13600K trên client và server, một CPU 20 luồng có xung nhịp lên đến 5.1 GHz với 128GB DDR5 và NIC Mellanox ConnectX-6 100 Gbps. Kiểm tra tổng hợp được so sánh bằng fio với F2FS cơ sở và Ext4 trên firmware block so với FS-SSD thông qua kernel client và SPDK user-space client.

Bảo mật và đồng bộ hóa

Một điều quan trọng cần nhớ là mặc dù thử nghiệm này chạy trên ổ Gen6, kết quả thử nghiệm lại nằm trên host PCIe 5.0. Do đó, mọi cấu hình đọc tuần tự đều đạt đỉnh ở mức khoảng 14.1 GB/s, xấp xỉ giới hạn liên kết. Cấu hình kiểm tra cũng sử dụng CPU máy tính để bàn phổ thông, trong khi máy chủ NFS một nhân là ví dụ minh họa.

Một câu hỏi khó nói chung là: các tiến trình ghi đồng thời từ GPU, DPU và host phối hợp với nhau như thế nào? Bộ nhớ đệm trang (page cache) của kernel mount giữ sự đồng nhất với quyền truy cập của GPU ra sao? Thiết bị lưu trữ NFSv3 theo thông số pNFS Flexible File Layout luôn được coi là "lỏng lẻo" (loosely coupled), nghĩa là không thể hỗ trợ khóa khoảng byte bắt buộc.

Thông tin xác thực nằm trong lệnh NVMe cũng có thể gặp vấn đề về bảo mật, vì các thiết bị liên kết lỏng lẻo chỉ nhận được mức bảo mật tương đương AUTH_SYS. Để giải quyết vấn đề này, FADU cho biết họ sử dụng xác thực dựa trên khả năng (capability-based authentication) và có kế hoạch hỗ trợ giao thức bảo mật Kerberos trong các phiên bản tiếp theo.