基于閃存的SSD具備了比電動機械驅(qū)動器更快的隨機讀取和數(shù)據(jù)傳輸速度，因此現(xiàn)在可以常被用來替代旋轉(zhuǎn)磁盤，但SSD的主機接口仍然是其性能上的短板。基于串行總線和接口標準(PCIe)的SSD和一種被叫做NVMe(永久存儲器)新興標準相輔相成，使該接口的短板問題得以解決。
如今人們正逐漸發(fā)現(xiàn)SSD的意義所在，而且一旦新的NVMe標準成熟，并且公司的交付集成電路能實現(xiàn)SSD與主機處理器更緊密的耦合后，還會發(fā)現(xiàn)其更加廣泛的價值。
日立CTO：SSD終將替代機械硬盤
目前較棘手的問題是迫切需要找到一種技術(shù)，以滿足這20年間處理器呈指數(shù)級增長的性能需求。芯片制造商一直在提升處理器核心的性能，從而可將多個內(nèi)核疊加到一個集成電路中，并努力開發(fā)能夠?qū)⒍鄠€集成電路更緊密得連接到多個處理器系統(tǒng)的技術(shù)。這樣一來，最終的結(jié)果將是：方案中所有內(nèi)核都需要進入同一個存儲器的子系統(tǒng)中。
企業(yè)的IT經(jīng)理們都盼著使用多處理器系統(tǒng)，因為這樣的系統(tǒng)每秒可處理的I/O操作數(shù)量(IOPS) 將有很大的增長空間，在耗電方面，每瓦特的IOPS也有提升的余地。如果處理單元可以及時訪問到數(shù)據(jù)的話，新處理器IOPS性能會更強，成本和能耗也因此會降低。讓活躍的處理器等待數(shù)據(jù)是件既浪費時間又浪費錢的事情。
存儲分層技術(shù)
當然，現(xiàn)在的系統(tǒng)中有多級存儲技術(shù)，可以將編碼和數(shù)據(jù)送到各處理器內(nèi)核。通常每個內(nèi)核都含有處理速度可與內(nèi)核持平的本地高速緩存。一個芯片里的多個內(nèi)核共享一個二級，有時候還有一個三級高速緩存。然后DRAM 為高速緩存提供數(shù)據(jù)。DRAM和高速緩存的讀取速度和數(shù)據(jù)傳輸性能都已得到適當?shù)財U展，足夠和處理器的性能相協(xié)調(diào)。
DRAM 和旋轉(zhuǎn)存儲器性能之間存在一個斷層，具體表現(xiàn)就是讀取速度和數(shù)據(jù)量會受到影響。磁盤驅(qū)動器供應(yīng)商在高容量低成本磁盤驅(qū)動的設(shè)計和生產(chǎn)上貢獻頗多。但驅(qū)動器本身具有的局限性，即它們讀取數(shù)據(jù)的速度以及將讀取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入DRAM的速度不可能無限提升。
讀取速度有多快取決于硬盤將讀磁頭移到磁盤數(shù)據(jù)軌道所需時間的多少，以及數(shù)據(jù)存儲區(qū)轉(zhuǎn)到讀磁頭下方所需的轉(zhuǎn)動延遲時間的長短。最大傳輸速度是由磁盤的轉(zhuǎn)動速度以及數(shù)據(jù)編碼體制體現(xiàn)的，二者共同決定了每秒從磁盤讀取到的字節(jié)量。
硬盤驅(qū)動器在讀取和傳輸連續(xù)數(shù)據(jù)時的性能相對較高。但是隨機讀取操作會增加延遲。而且，即使是連續(xù)讀取操作都無法滿足最新處理器對數(shù)據(jù)的巨大需求。
同時，企業(yè)的在線交易系統(tǒng)在處理金融業(yè)務(wù)時，或是在應(yīng)用程序中開發(fā)數(shù)據(jù)時，比如像客戶關(guān)系管理需要高度的隨機數(shù)據(jù)讀取這種情況，都要求有較高的隨機數(shù)據(jù)讀取速度。云計算也有一個隨機單元，其隨機操作通常會隨著技術(shù)的更新不斷升級，比如虛擬化技術(shù)，它能擴展單個系統(tǒng)里任何時候都處在活躍狀態(tài)的應(yīng)用程序的適用范圍。每產(chǎn)生一微妙的延遲都意味著成本的損失，以及較低的處理器利用率和系統(tǒng)能耗的浪費。
幸好閃存為解決DRAM和傳統(tǒng)的機械磁盤存儲的性能的斷層問題提供了可能。閃存比DRAM 慢，但是它每十億字節(jié)的存儲成本相對更低。但還是高于磁盤存儲成本，但企業(yè)樂于支付溢價，因為閃存在傳輸速度和隨機數(shù)據(jù)的讀取速度方面性能更高，因此和機械磁盤存儲相比有著更好的IOPS成本效益。
增加閃存容量以及合理增加成本讓SSD越來越受歡迎，因為SSD封裝閃存后可使其具有類似磁盤驅(qū)動的形狀系數(shù)。此外，SSD最常被應(yīng)用于磁盤驅(qū)動器接口，比如SATA(串行ATA)或SAS(附加串行SCSI)。
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目前SSD使用的是磁盤接口
磁盤驅(qū)動器的形狀系數(shù)和接口允許IT供應(yīng)商用SSD代替磁盤驅(qū)動器。系統(tǒng)硬件或驅(qū)動軟件都無需為此作任何更改。只要換入一個SSD，你就能擁有高得多的讀取速度和多少會高一些的數(shù)據(jù)傳輸速度。
不過，對基于閃存的存儲而言，磁盤驅(qū)動器接口并非最佳選擇。閃存可以支持比最新一代磁盤接口更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。而且，SSD的制造商能將足夠多的閃存設(shè)備裝入2.5英寸的形狀系數(shù)，這樣就在能耗上將比傳統(tǒng)磁盤驅(qū)動器更具優(yōu)勢。
讓我們更近距離的看一下磁盤接口。當今最主流的系統(tǒng)使用的是第二代SATA和SAS接口(被稱為3Gbps接口)，它們的傳輸速度是300MB/s。第三代SATA和SAS將其速度提高到了600MB/s，基于該類接口的驅(qū)動器已經(jīng)在企業(yè)級市場中擁有了一席之地。
上述的傳輸速度可以支持最快的機電驅(qū)動器，然而最新的NAND閃存配置和疊層芯片封裝技術(shù)能傳輸?shù)木酆祥W存帶寬超過了SATA 和 SAS互聯(lián)后的傳送能力。簡言之就是SSD的性能短板從閃存設(shè)備轉(zhuǎn)移到了主機接口。因此業(yè)界需要一種更快的主機內(nèi)聯(lián)技術(shù)讓閃存得到充分利用。
PCIe主機接口能解決這種存儲性能的短板問題，并且，通過將SSD直接連接到PCIe主總線，它將擁有天下無雙的高性能。比如，2012年即將批量生產(chǎn)的第三代4-lane (x4) PCIe連接可以達到4GB/s的數(shù)據(jù)傳輸率。此外，直接PCIe連接可以減少系統(tǒng)能耗，大幅縮減老化存儲配置的時延。
PCIe對存儲帶寬要求低
像PCIe 這樣的接口顯然能解決多通路閃存系統(tǒng)的帶寬問題，而且還具備了更多的性能優(yōu)勢。而使用磁盤接口的SSD還需要忍受存儲控制器IC處理磁盤I/O時產(chǎn)生的附加延遲。因為PCIe 設(shè)備是與主總線直接相連的，省去了和老化存儲基礎(chǔ)配置有關(guān)的結(jié)構(gòu)層。所以PCIe SSD具備的基本功能可以實現(xiàn)：頂層OEM把PCIe SSD放入服務(wù)器的同時也相當于把它放進了存儲序列，從而建立了層疊式存儲系統(tǒng)，提高應(yīng)用程序的速度的同時還降低了每IOPS成本。
將存儲器移至PCIe連接會給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來更多的挑戰(zhàn)。就像上面提到的，基于SATA和SAS的SSD產(chǎn)品保留了軟件的兼容性，有些系統(tǒng)設(shè)計人員不想丟掉這個優(yōu)點。任何PCIe存儲器的安裝啟用都會引發(fā)對新驅(qū)動軟件的需求。
盡管存在軟件方面的問題，PCIe 存儲仍然勢不可擋。企業(yè)對性能的需求正在推動這一勢頭的發(fā)展。因為顯然目前還沒有其他更好的IOPS, IOPS/W和 IOP成本優(yōu)化方法來滿足IT管理者們的需要。
使用PCIe作為互聯(lián)存儲器的好處很明顯。比如，和SATA 或SAS有關(guān)的數(shù)據(jù)吞吐量將增加5倍以上。而且，你可以跟SATA和SAS接口使用的主總線適配器和SERDES IC等配件說再見了，因此在系統(tǒng)一級省了錢又節(jié)了電。此外，PCIe拉近了存儲器和處理器的距離，從而減少了延遲。
所以，現(xiàn)在這個行業(yè)面臨的問題不是該不該使用PCIe 連接閃存，而是如何去實現(xiàn)它。已經(jīng)進入市場的早期產(chǎn)品中有一些可供我們從中選擇。
暫行的PCIe SSD安裝啟用方案
可以利用現(xiàn)有的閃存控制器集成電路實現(xiàn)最簡單的安裝啟用，這種電路盡管能夠控制存儲器讀寫操作，但不支持系統(tǒng)I/O。這樣的閃存控制器一般在目前基于SATA或SAS的SSD產(chǎn)品里的磁盤接口IC后面工作。
也可以選擇另外一種方式：你可以在主處理器上運行閃存管理軟件來激活一個簡單的閃存控制器，讓這個控制器在PCIe 互聯(lián)上運作。這種方法不是很理想。第一，它需占用主處理器和存儲資源,理想狀態(tài)下被占用的這些資源可以處理更多IOPS。第二，它要求使用專門的驅(qū)動器，所以需要對原始設(shè)備制造商(OEM)進行資格審核。第三，因為系統(tǒng)必須通過啟動閃存管理軟件來執(zhí)行并激活存儲操作，所以它無法再被用作驅(qū)動器。第四，面對不斷增長的系統(tǒng)資源需求，這樣的配置沒有相應(yīng)的可擴展性。
顯然從短期來看，這些理念會找到它們的市場。尤其是現(xiàn)在，這些產(chǎn)品正被作為高速緩存應(yīng)用于硬盤驅(qū)動，而沒有被當作高性能磁盤驅(qū)動的主要替代品。
長期來看，更可靠更高效的PCIe SSD設(shè)計需要借助一個復(fù)雜的SoC才能實現(xiàn)，這個SoC可以支持PCIe，可以結(jié)合閃存控制器的功能，還能充分體現(xiàn)存儲理念。這樣的產(chǎn)品將無需使用主機CPU和處理閃存管理的存儲器，并將最終激活標準OS驅(qū)動，實現(xiàn)即插即用操作，就像現(xiàn)如今我們使用的SATA和SAS一樣。
事實上，NVMe 最終將使PCIe SSD擁有即插即用功能。全行業(yè)80多家公司聯(lián)合開發(fā)的NVMe 1.0已于今年3月由NVMHCI工作組(現(xiàn)在更常被稱為NVMe工作組)投放市場。
NVMe 1.0為PCIe SSD定義了一個優(yōu)化的寄存器接口，命令集和功能集。目的是幫助PCIe SSD得到更廣泛的認可，并提供一個可擴展的接口以充分挖掘SSD技術(shù)現(xiàn)在以及未來的潛在價值。NVMe 1.0可從www.nvmexpress.org 下載。
現(xiàn)在已經(jīng)對NVMe 技術(shù)進行了專門優(yōu)化，以配合多內(nèi)核系統(tǒng)，實現(xiàn)其多線運作，而且每條線上都可激活I(lǐng)/O操作。事實上，優(yōu)化只是針對方案進行的，IT管理者希望通過方案的優(yōu)化提高IOPS。NVMe可以支持多到64k I/O的隊列，并且每隊列中有多達64K的命令。每個處理器內(nèi)核都可以執(zhí)行自己隊列的操作。
NVMe 推廣項目組成立于今年6月，旨在推動基于PCIe SSDs的NVMe 標準得到更為廣泛的認可。Cisco, Dell, EMC, IDT, Intel, NetApp和Oracle 7家行業(yè)領(lǐng)頭企業(yè)將占據(jù)董事會的長期固定席位.另外6個席位將從NVMHCI工作組的其他成員企業(yè)中選出。
想讓NVMe 成為一種主流的技術(shù)的話，需要做的工作還有很多，然而，業(yè)內(nèi)參與者的廣泛支持終將讓這項技術(shù)成為高性能SSD互聯(lián)的行業(yè)標準。支持者有IC制造商，閃存制造商，操作系統(tǒng)供應(yīng)商，服務(wù)器制造商，存儲子系統(tǒng)制造商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商
未來的12到18個月間，零部件價格有望下調(diào)，以支持NVMe作為驅(qū)動器應(yīng)用于目前最為普及的操作系統(tǒng)。此外，公司也將使用SoC企業(yè)閃存控制器，以滿足激活NVMe的需要。
PCIe SSD的規(guī)格規(guī)范
NVMe標準不涉及SSD的規(guī)格問題，那是另外一個工作組正在研究的課題。
企業(yè)級的存儲設(shè)備，像磁盤驅(qū)動器和SSD之類通常都可以從外部訪問，而且支持熱插拔功能。因為磁盤驅(qū)動器本質(zhì)上而言是機械設(shè)備，通常比集成電路壽命要短，因此從某種程度上來說，熱插拔功能是必需的。因為這種功能可以輕松更換故障硬盤。
有了SSD之后，IT管理者和存儲設(shè)備供應(yīng)商都希望繼續(xù)保有外部訪問的模塊技術(shù)。因為有這種技術(shù)的話，想擴展存儲空間只需要增加SSD或?qū)F(xiàn)有的SSD替換成容量更大的SSD就行了，非常簡單。
事實上，為了解決形狀規(guī)范的問題還制定了另外一套標準體系。SSD 規(guī)格工作組將工作重點放在了如何把PCIe作為一個SSD內(nèi)聯(lián)進行升級上。這個工作組由推廣項目組里的5個成員單位——Dell, EMC, Fujitsu, IBM和Intel領(lǐng)銜主導(dǎo)。
SSD規(guī)格工作組成立于2010年秋，主要進行以下三個方面的研究：
1. 可同時支持PCIe和SAS/SATA的連接器。
2. 建立一個基于2.5英寸標準的規(guī)格規(guī)范，同時，該規(guī)范還可支持新一代連接器，并可擴大頻率范圍以支持更高的性能
3. 支持熱插拔功能
為了讓PCIe SSD的使用范圍更廣，并讓該項技術(shù)幫助企業(yè)實現(xiàn)性能提升，所有構(gòu)建模塊正在逐步完善當中。現(xiàn)在企業(yè)受到了更多的關(guān)注，所以NVMe 標準也必將走入客戶系統(tǒng)，從而讓小到個人筆記本在內(nèi)的電腦都得到性能方面的提升，同時還能降低成本和系統(tǒng)能耗。隨著集成電路和驅(qū)動程序的逐步兼容，NVMe標準的制定將推動PCIe SSD技術(shù)得到更大范圍的普及。
作者：Kam Eshghi Sr.，IDT公司企業(yè)計算技術(shù)部的營銷總監(jiān)
原文地址：http://www.computerworld.com/s/article/9218985/SSD_drives_promise_to_enhance_storage_performance_but_a_new_host_interface_standard_holds_the_key?taxonomyId=19&pageNumber=1
