IBM：数据为王，文件系统将何去何从？

阅读收获

• 系统梳理从内核态、用户态到设备端的四种文件系统架构演进，精准定位不同方案解决的I/O核心痛点。
• 洞察CXL、FPGA和AI负载如何重塑存储IO栈，理解“近数据计算”对未来数据中心架构的颠覆性影响。
• 深入理解文件系统从“数据管理器”向“认知计算栈”演变的终极趋势，为前沿技术研究提供新思路。

全文概览

随着NVMe SSD和持久内存等高速介质的普及，传统以CPU为中心的存储I/O栈正成为性能瓶颈。为了绕过内核、减少数据拷贝和上下文切换，业界探索了从用户态文件系统（UserFS）到设备端文件系统（DeviceFS）乃至计算下沉等多种优化路径。然而，当CXL、FPGA等新技术将算力推向存储边缘，AI负载的需求从“管理数据”转向“理解数据”时，我们不禁要问：那个作为软硬件桥梁、默默服务了数十年的文件系统，它的角色是否正在被解构？在以数据为中心的新世界里，文件系统还能幸存吗，抑或将以何种新形态重生？

👉 划线高亮 观点批注

图片的核心观点在于阐述文件系统作为“中间人”的关键角色：

1. 桥接硬件与软件：
   • 左图展示了底层硬件（CPU、Cache、DRAM）处理数据的物理复杂性，涉及指令调度、缓存一致性和寄存器操作。
   • 右图展示了文件系统如何屏蔽这种复杂性。它位于用户应用程序和底层块设备（Block layer/Controller）之间。
2. 抽象化管理：
   • 文件系统的意义在于提供了一个抽象层。应用程序不需要知道数据在物理介质（Persistent memory）上的具体位置（如扇区、页），也不需要直接管理硬件控制器。
   • 应用程序只需与文件系统交互（读写文件），文件系统负责将这些逻辑请求转换为块层（Block layer）能理解的指令，并最终由控制器写入物理卷（FS volume）。
3. 数据持久化的管理者：
   • 对比左右两图，左图侧重于“计算过程”（数据如何在CPU和内存间周转），右图侧重于“IO栈”（数据如何安全、有序地流向持久化存储）。文件系统正是确保内存中的数据（User-space/Kernel-space）能够正确、持久地保存到非易失性存储设备中的核心组件。

图片的核心观点在于解构存储IO开销的本质并分类现有的解决方案：

1. 开销的本质：文件系统的开销主要源于CPU的数据搬运和跨层级的上下文切换（左图所示的复杂路径）。
2. 架构演进趋势：为了降低开销，行业主要探索了两个方向：
   • 向上移动 (UserFS)：通过将FS逻辑移入用户态（User-space libraries）来旁路内核，减少系统调用开销。
   • 向下移动 (DeviceFS / Offloading)：利用存储硬件越来越强的算力，将FS逻辑或数据处理逻辑下沉到设备固件（Firmware）中，减少主机CPU的负载和PCIe总线的数据传输量。

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图片探讨了文件系统在新型硬件（CXL, FPGA） 和新型负载（AI） 冲击下的生存状态：

1. 文件系统的定义在解构：
   • 如果只是为了管理块设备（Block Device），它依然存在（YES），但可能会硬件化。
   • 如果是为了管理内存语义数据（Memory Semantic），它将演变为内存管理器（Maybe）。
   • 如果是为了高效计算（AI/Compute），它可能成为累赘而被彻底移除（NO）。
2. 访问粒度的多样化：
   • 从传统的 Logical Block（左图），演变为 64B/4K/Zone 混合粒度（中图），再到无粒度的语义计算（右图）。
3. 计算重心的下移：
   • 三幅图都隐含了一个趋势：计算能力（FPGA, Core, Compute-in-storage）正在不断向存储侧下沉，试图减少数据移动，这正是挑战传统“以CPU为中心的文件系统”的根本原因。

图片的核心观点是：文件系统将消亡，或者说被“认知计算栈”完全吞噬。

1. 从“管理数据”到“理解数据”：
   • 传统的FS致力于“如何把数据存进去、取出来（How）”。
   • 未来的架构致力于“数据是什么、有什么价值（What & Why）”。通过认知计算和ML，存储系统直接处理数据的语义。
2. 存储介质的觉醒 (Active & Thinking)：
   • 通过使用 "Thinking memory" 和 "Active object" 这样的词汇，作者强调存储不再是被动的容器（Passive Container），而是变成了主动的计算节点。每个数据对象都是“活”的，能够自我处理、自我优化。
3. 硬件定义的架构：
   • 未来的存储栈将深度依赖硬件特性，如 NPU 加速和 存算分离（Disaggregated） 架构，软件（文件系统）的界限将变得非常模糊，最终融入到硬件加速的计算流中。

延伸思考

这次分享的内容就到这里了，或许以下几个问题，能够启发你更多的思考，欢迎留言，说说你的想法~

1. 将文件系统逻辑下沉到硬件（DeviceFS）或实现计算卸载，虽然能释放主机CPU，但也带来了固件复杂性、编程模型和标准化的新挑战。你认为在通用计算市场，这条路径能否真正取代传统的内核文件系统，还是会长期作为特定场景的补充方案？
2. 在AI驱动的“认知计算”模型下，存储系统开始“理解”数据语义，传统的文件和目录抽象似乎不再必要。对于应用开发者而言，这是一种解放还是一种负担？未来的数据访问接口会是什么样子？
3. 从KernelFS到DeviceFS的演进，本质上是软硬件功能边界的重新划分。你认为在这场变革中，谁将成为主导力量——是CPU厂商、存储设备商，还是云服务巨头？

原文标题：Can file systems survive in data-centric world?[1]

Notice：Human's prompt, Datasets by Gemini-3-Pro

#FMS25 #文件系统

---【本文完】---

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1. https://files.futurememorystorage.com/proceedings/2025/20250805_COMP-101-1_Dubeyko.pdf ↩