如何用存儲黑科技解決推薦系統(tǒng)的“信息過載”？

我們的數(shù)據(jù)集群目前規(guī)模過萬，總數(shù)據(jù)量以EB計，日新增數(shù)據(jù)量則以PB計……

這些數(shù)字來自某移動互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在一次技術交流活動上對自家數(shù)據(jù)處理能力的介紹。先不說EB，就說說1PB是什么概念吧？大約是2億張照片或2億首MP3音樂，如果一個人不停地聽這些音樂，能聽上1900年。

大家可能會驚嘆于這家企業(yè)強大的數(shù)據(jù)處理能力，但并非所有企業(yè)都具備同樣的能力——激增的數(shù)據(jù)量如果超過了數(shù)據(jù)處理能力，就會導致“信息過載“問題，為此，人類發(fā)明了能夠過濾信息的“搜索引擎”和“推薦系統(tǒng)”，用以高效識別和應用那部分“至關重要”的數(shù)據(jù)。

然而，據(jù)國際數(shù)據(jù)公司IDC在報告《數(shù)據(jù)時代2025》 中的預測，到2025年，屬于數(shù)據(jù)分析的全球數(shù)據(jù)總量將增長至原來的50倍，達到5.2ZB；認知系統(tǒng)“觸及”的分析數(shù)據(jù)總量也將隨之增長至原來的100倍，達到1.4ZB！這意味著用來挑選、過濾數(shù)據(jù)的推薦系統(tǒng)和搜索引擎，也一樣難逃”信息過載“。

推薦系統(tǒng)本質上就是一個信息過濾系統(tǒng)，通常分為：召回、排序、重排序這三個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)逐層過濾，最終從海量數(shù)據(jù)中篩選出幾十個用戶可能感興趣的信息推薦給用戶。更直接一些，要想實現(xiàn)推薦系統(tǒng)這三個關鍵環(huán)節(jié)，就需要四個模塊化的層面，即數(shù)據(jù)、存儲（內存&存儲）、服務和應用。

其中，存儲層用于存儲數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)；服務層是對外提供接口的部分；應用層根據(jù)不同場景配置的召回策略來直接對接服務層，發(fā)起請求得到推薦反饋。顯然，數(shù)據(jù)、存儲是推薦系統(tǒng)的底層邏輯，能夠決定引擎“走多遠”，而服務層和應用層則是上層建筑，對用戶體驗起到重要作用。

圖注：推薦引擎的模塊化層面架構圖

因此，要想從根本上解決推薦系統(tǒng)的信息過載問題，就要從數(shù)據(jù)及存儲層著手。

推薦、搜索背后的挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)硬件瓶頸

從文字發(fā)明前，人類就一直在為“合適”的數(shù)據(jù)尋找“合適”的數(shù)據(jù)存儲方式，例如書寫工具作為一種原始存儲技術，其讓人類有了記錄生活的能力；1890年代，穿孔卡的出現(xiàn)為人類打開了另一個全新時代的大門，標志著現(xiàn)代信息程序化的初露鋒芒。

穿孔卡所能處理的數(shù)據(jù)當然不能一勞永逸地滿足人類經(jīng)濟生活的需求，1966年，動態(tài)隨機存取內存(DRAM)出現(xiàn)，開創(chuàng)性地用電容來存儲信息，而所謂的“動態(tài)“并非是指內部的某個功能，而是指電容終究會喪失電荷，因此必須定期”動態(tài)“刷新。這意味著DRAM一旦斷電就將面臨數(shù)據(jù)丟失的風險。

內存專注于“數(shù)據(jù)存儲”，結合“數(shù)據(jù)處理“才能構成數(shù)據(jù)價值的閉環(huán)。1971年英特爾推出全球首款CPU的創(chuàng)舉則畫全了這個閉環(huán)。此后，數(shù)據(jù)處理的硬件發(fā)明一直都在沿著內存與CPU并存的格局發(fā)展。

而今，從大數(shù)據(jù)時代帶來數(shù)據(jù)量暴增，數(shù)據(jù)類型不斷增多，數(shù)據(jù)處理并發(fā)度和速度不斷提升這三個現(xiàn)狀考慮，是時候對數(shù)據(jù)處理和存儲的硬件技術來次大換代了。其實，將這三個特征納入推薦系統(tǒng)，就不難發(fā)現(xiàn)，在內存上下功夫，會更有助于破解推薦系統(tǒng)的信息過載難題。

讓我們來劃一下重點吧：數(shù)據(jù)規(guī)模、高并發(fā)、實時推薦等這幾點，就是所有基于大數(shù)據(jù)做推薦服務或產(chǎn)品的企業(yè)都會遇到的共同問題：

1.數(shù)據(jù)量指數(shù)增長問題：越是精準，越是個性化的推薦，就越需要為每個用戶都保存一份推薦數(shù)據(jù)，也就是說數(shù)據(jù)量會隨著用戶線性增長。

2.數(shù)據(jù)稀疏性問題 ：現(xiàn)在待處理的推薦系統(tǒng)規(guī)模越來越大，用戶和信息(譬如音樂、網(wǎng)頁、文獻……)數(shù)目動輒百千萬計，兩個用戶在選擇上的重疊非常少。

3.需要快速及時響應用戶請求（運算）：隨著新聞、短視頻等消費用戶碎片化時間的應用層出不窮，推薦系統(tǒng)更倚重實時推薦策略。

就如前文所說，要解決這些問題，就要從“數(shù)據(jù)”和”存儲“這兩個底層邏輯找答案。

第一個問題的解決，需要大容量存儲設備；第二個問題需要“借力”算法，例如通過擴散的算法，從原來的一階關聯(lián)到二階甚至更高階的關聯(lián)，甚至通過迭代尋優(yōu)的方法，考慮全局信息導致的關聯(lián)，其中“全局”一詞背后需要高性能處理器的助力；而應對第三個問題則需要更高性能的存儲來支持，例如用戶在使用APP時，留給推薦系統(tǒng)的處理時長往往是毫秒級的，這就對推薦系統(tǒng)的存儲部分的吞吐量、響應速度、穩(wěn)定性和意外中斷后的恢復能力提出了更高的要求。

從上面這個三個方案不難看出，存儲既要更大容量，也需要更優(yōu)性能，換言之推薦系統(tǒng)的IT基礎架構既要滿足對海量數(shù)據(jù)存儲的承載能力，還需要在大數(shù)據(jù)量下保證計算分析的時效性。換句話說，上面這三個問題環(huán)環(huán)相扣，必須要找到一個“三管齊下”的解決方案。

“數(shù)據(jù)硬件”新趨勢：顛覆內存與存儲的邊界

三管齊下說來容易，但又該如何實現(xiàn)呢？其實，只要一步活，就可以步步活。

這一步就是要把更多數(shù)據(jù)“存放”在更接近CPU的位置進行處理。

傳統(tǒng)上業(yè)界存放數(shù)據(jù)的主流產(chǎn)品包括DRAM，基于NAND技術的固態(tài)盤 (SSD)以及傳統(tǒng)機械硬盤 (HDD)。這些技術各有優(yōu)缺點，例如DRAM雖然性能好、時延低，但容量受限、價格昂貴且有數(shù)據(jù)易失性；與DRAM相比，固態(tài)盤 (SSD) 可提供更大容量和更低成本，但無法提供相同的性能水平；傳統(tǒng)硬盤 (HDD)就更別提了，勝在容量和成本更優(yōu)，但有旋轉的盤片，很難避免與可靠性、物理空間要求、散熱等因素有關的總體擁有成本問題。

總結一下，上述這些產(chǎn)品的不足，概括起來就是：離CPU近的，性能雖好但很難滿足承載大體量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)持久性的需求，而距離遠的產(chǎn)品容量雖大，即在性能上與DRAM差距較大。

圖注：傳統(tǒng)內存-存儲架構在性能和容量上都存在缺口

如何解決？當前業(yè)界有一個解決方案是開辟全新的產(chǎn)品技術路線：打破內存和存儲的特性，將兩者的優(yōu)勢融合起來。

這一技術路線的提出者和重要實踐者，就是大家熟悉的英特爾，而它將內存和存儲特性融合的產(chǎn)品，名為英特爾傲騰持久內存（Optane Persistent Memory, 簡稱Optane PMem）。這種產(chǎn)品采用的傲騰存儲介質正是實現(xiàn)這種融合的基石，已被很多專家和用戶視為存儲“黑科技”。

采用了這種存儲“黑科技“的傲騰持久內存，一句話就可以概括其特點，那就是擁有接近DRAM，遠超NAND SSD的性能，但容量又比DRAM大（單條容量可達128GiB，256GiB和512GiB），價格或單位容量的成本更實惠，且具備數(shù)據(jù)非易失能力（斷電后數(shù)據(jù)不會丟失）。

圖注：增添了傲騰持久內存和傲騰固態(tài)盤的全新內存-存儲架構

對內存和存儲優(yōu)勢的融合讓傲騰持久內存得以提供兩種工作模式：

一是App Direct 模式，讓應用能通過load/store字節(jié)訪問方式直接訪問持久內存，保存到持久內存的數(shù)據(jù)斷電后不丟失。訪問持久內存的時延和DRAM接近。

二是內存模式，傲騰持久內存在這種模式下可用作DRAM之外進行容量擴展的易失性內存。

圖注：傲騰持久內存的兩種工作模式

說到這里，結果已經(jīng)要呼之欲出了：在App Direct模式下工作的傲騰持久內存正是我們尋求的、能兼顧推薦系統(tǒng)兩個底層邏輯——數(shù)據(jù)和存儲的答案，它既能把更多數(shù)據(jù)放在靠近CPU的位置，同時又能滿足推薦系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)處理過程中的性能和可靠性要求。

打通內存與存儲，讓數(shù)據(jù)從負擔變?yōu)椤案坏V”

目前，已有數(shù)家在推薦技術上處于行業(yè)領先地位的企業(yè)認識到，并開始借重傲騰持久內存的上述優(yōu)勢，百度就是嘗鮮者之一。

人們對于百度的傳統(tǒng)觀感就是搜索引擎服務，其實百度的搜索引擎早就利用公司在大數(shù)據(jù)和AI方面的技術優(yōu)勢和積累，增添了基于信息聚合，能向用戶投送個性化內容的Feed流服務。在這項服務背后擔綱數(shù)據(jù)層和存儲層關鍵角色的，就是它的核心內存數(shù)據(jù)庫Feed-Cube。

由于業(yè)務飛速拓展，百度Feed流服務需要Feed-Cube部署更大容量的內存來承載規(guī)模激增的數(shù)據(jù)，可DRAM高昂的成本和有限的容量規(guī)格使得內存擴展帶來的TCO壓力不斷抬升，在這種情況下，百度在初代英特爾傲騰持久內存（100系列）剛剛發(fā)布不久，就盯上了它。

于是2019年時，百度就圍繞如何在Feed-Cube上利用傲騰持久內存的優(yōu)勢開展了一系列嘗試。它先后對比測試了僅使用DRAM，DRAM+持久內存和僅使用持久內存支持Feed-Cube的狀況。結果表明，在第二代至強可擴展處理器與傲騰持久內存組合上，如果使用DRAM和持久內存的混合配置，F(xiàn)eed-Cube在2,000萬大并發(fā)訪問壓力下的平均訪問耗時僅上升約30微秒（約24%），CPU的整機消耗占比上升7%，性能波動完全可接受，由于換來的單服務器上的DRAM使用量可以減半，從成本角度而言則是個大好消息。

百度還發(fā)現(xiàn)，即使只基于傲騰持久內存來構建Feed-Cube，在每秒50萬次查詢（QPS）的訪問壓力下，其平均時延與只配置DRAM的方案對比上升約9.66%，性能波動也可接受。

圖注：百度Feed-Cube內存配置的變化路徑，和不同路徑或配置下的處理時延對比

對傲騰存儲“黑科技”優(yōu)勢的初步認可，讓百度開始了在更多關鍵應用場景中發(fā)掘其應用價值的探索之路。包括在關鍵業(yè)務中考查其持久性對數(shù)據(jù)恢復的加速，還有優(yōu)化BigSQL數(shù)據(jù)處理平臺（基于SPARK SQL）的交互式查詢性能和成本等。

這些成功的嘗試，最終促使百度決定基于傲騰持久內存，從存儲引擎層面開啟了更大的創(chuàng)新或者說是改造，即推出使用持久內存和PMDK（英特爾開源的持久內存開發(fā)工具包）優(yōu)化的新一代用戶態(tài)單機存儲引擎，為百度離線與部分在線業(yè)務提供高效穩(wěn)定、低時延、低成本和易擴展的存儲服務。

該引擎可用于塊、文件和對象存儲等多種應用場景，將傲騰持久內存（APP Direct模式）用作引擎緩存層的存儲介質，來存儲元數(shù)據(jù)、緩存和索引。并通過PMDK進行內存調度，加速這些數(shù)據(jù)的讀寫，最大程度減少資源損耗。

圖注：SNIA編程模型和PMDK工作示意圖。傲騰持久內存遵循SNIA編程模型， PMDK可幫助應用直接訪問持久內存設備，而不需要經(jīng)過文件系統(tǒng)的頁高速緩存系統(tǒng)、系統(tǒng)調用和驅動，避免了數(shù)據(jù)IO產(chǎn)出的開銷，可大大降低數(shù)據(jù)時延。

經(jīng)測試，這個全新的存儲引擎寫入一個4K數(shù)據(jù)的整體時間消耗大約為4.5微秒，而將其中的持久內存換成DRAM，全程用時大約是3微秒，在時延上相差不大。但使用DRAM和使用持久內存的成本卻相差很大，相同的成本投入下，持久內存的空間是DRAM的三倍之多，這意味著可以緩存更多數(shù)據(jù)，也能以更合理的方式進行數(shù)據(jù)存盤，有效提高后端存儲設備的IO效率。

百度將傲騰持久內存導入包括Feed流服務在內各種產(chǎn)品和服務進行嘗試，以及采用它開發(fā)新一代用戶態(tài)單機存儲引擎的意義，并不在于它使用這種存儲“黑科技”解決了自身的業(yè)務需求，更多的，是為傲騰持久內存在搜索、推薦系統(tǒng)和更多大數(shù)據(jù)場景中的應用進行了重要的探索，能為遇到或即將面臨同樣信息過載問題的企業(yè)和用戶提供值得借鑒的寶貴經(jīng)驗。

或許很快，就會有更多倚重搜索、推薦技術或服務的企業(yè)導入傲騰持久內存，尤其是英特爾在今年四月剛剛發(fā)布了與傲騰持久內存搭配的全新算力干將——面向單路和雙路服務器的第三代至強可擴展處理器。它在內存通道的支持上從上一代產(chǎn)品的6通道升級到了8通道，速度也從上一代的2666MT/提升到了高達3200MT/s，在與DRAM和傲騰持久內存200系列配合使用時，每路內存容量可達6TB之多。這款全新處理器還支持了PCI-E 4.0技術，并新添了支持PCI-E 4.0的傲騰固態(tài)盤P5800X（也是基于傲騰存儲介質構建），這表明傲騰固態(tài)盤與傲騰持久內存的數(shù)據(jù)交互也將進一步提速。

圖注：存儲“黑科技“兩款新品——傲騰持久內存200系列和傲騰固態(tài)盤P5800X

由此不難看出，英特爾對這項存儲“黑科技“的改進、優(yōu)化、升級和普及的步伐一直在持續(xù)，也許還會越來越快，現(xiàn)在已有消息稱，下一代傲騰持久內存單條容量就會達到1TB……這樣一來，也許大家擔心存儲系統(tǒng)“信息過載”的日子，離我們就越來越遠了。