基于閃存的SSD具備了比電動機(jī)械驅(qū)動器更快的隨機(jī)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(jī)接口仍然是其性能上的短板。基于串行總線和接口標(biāo)準(zhǔn)(PCIe)的SSD和一種被叫做NVMe(永久存儲器)新興標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)成熟，并且公司的交付集成電路能實(shí)現(xiàn)SSD與主機(jī)處理器更緊密的耦合后，還會發(fā)現(xiàn)其更加廣泛的價(jià)值。
日立CTO：SSD終將替代機(jī)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(gè)內(nèi)核疊加到一個(gè)集成電路中，并努力開發(fā)能夠?qū)⒍鄠€(gè)集成電路更緊密得連接到多個(gè)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(jìn)入同一個(gè)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?yàn)檫@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(shí)訪問到數(shù)據(jù)的話，新處理器IOPS性能會更強(qiáng)，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(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)錢的事情。
存儲分層技術(shù)
當(dāng)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(gè)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(gè)芯片里的多個(gè)內(nèi)核共享一個(gè)二級，有時(shí)候還有一個(gè)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(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)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(gè)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(jì)和生產(chǎn)上貢獻(xiàn)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(shí)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(shí)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(shí)的性能相對較高。但是隨機(jī)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(shí)，企業(yè)的在線交易系統(tǒng)在處理金融業(yè)務(wù)時(shí)，或是在應(yīng)用程序中開發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，比如像客戶關(guān)系管理需要高度的隨機(jī)數(shù)據(jù)讀取這種情況，都要求有較高的隨機(jī)數(shù)據(jù)讀取速度。云計(jì)算也有一個(gè)隨機(jī)單元，其隨機(jī)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(kuò)展單個(gè)系統(tǒng)里任何時(shí)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(fèi)。
幸好閃存為解決DRAM和傳統(tǒng)的機(jī)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(jià)，因?yàn)殚W存在傳輸速度和隨機(jī)數(shù)據(jù)的讀取速度方面性能更高，因此和機(jī)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?yàn)镾SD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)。
#p#副標(biāo)題#e#
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(gè)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(dāng)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(jī)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(jī)接口。因此業(yè)界需要一種更快的主機(jī)內(nèi)聯(lián)技術(shù)讓閃存得到充分利用。
PCIe主機(jī)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(dá)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(shí)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(shí)產(chǎn)生的附加延遲。因?yàn)镻CIe 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(shí)現(xiàn)：頂層OEM把PCIe SSD放入服務(wù)器的同時(shí)也相當(dāng)于把它放進(jìn)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(shí)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(jì)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(jì)人員不想丟掉這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。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?yàn)轱@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(gè)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(shí)現(xiàn)它。已經(jīng)進(jìn)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(shí)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(yùn)行閃存管理軟件來激活一個(gè)簡單的閃存控制器，讓這個(gè)控制器在PCIe 互聯(lián)上運(yùn)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(jìn)行資格審核。第三，因?yàn)橄到y(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(kuò)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(dāng)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(jì)需要借助一個(gè)復(fù)雜的SoC才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)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(jī)CPU和處理閃存管理的存儲器，并將最終激活標(biāo)準(zhǔn)OS驅(qū)動，實(shí)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(shí)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(gè)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(rèn)可，并提供一個(gè)可擴(kuò)展的接口以充分挖掘SSD技術(shù)現(xiàn)在以及未來的潛在價(jià)值。NVMe 1.0可從www.nvmexpress.org 下載。
現(xiàn)在已經(jīng)對NVMe 技術(shù)進(jìn)行了專門優(yōu)化，以配合多內(nèi)核系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其多線運(yùn)作，而且每條線上都可激活I(lǐng)/O操作。事實(shí)上，優(yōu)化只是針對方案進(jìn)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(duì)列，并且每隊(duì)列中有多達(dá)64K的命令。每個(gè)處理器內(nèi)核都可以執(zhí)行自己隊(duì)列的操作。
NVMe 推廣項(xiàng)目組成立于今年6月，旨在推動基于PCIe SSDs的NVMe 標(biāo)準(zhǔn)得到更為廣泛的認(rèn)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(gè)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(xiàng)技術(shù)成為高性能SSD互聯(lián)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)月間，零部件價(jià)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(biāo)準(zhǔn)不涉及SSD的規(guī)格問題，那是另外一個(gè)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?yàn)榇疟P驅(qū)動器本質(zhì)上而言是機(jī)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?yàn)檫@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?yàn)橛羞@種技術(shù)的話，想擴(kuò)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(shí)上，為了解決形狀規(guī)范的問題還制定了另外一套標(biāo)準(zhǔn)體系。SSD 規(guī)格工作組將工作重點(diǎn)放在了如何把PCIe作為一個(gè)SSD內(nèi)聯(lián)進(jìn)行升級上。這個(gè)工作組由推廣項(xiàng)目組里的5個(gè)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(jìn)行以下三個(gè)方面的研究：
1. 可同時(shí)支持PCIe和SAS/SATA的連接器。
2. 建立一個(gè)基于2.5英寸標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格規(guī)范，同時(shí)，該規(guī)范還可支持新一代連接器，并可擴(kuò)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(xiàng)技術(shù)幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)性能提升，所有構(gòu)建模塊正在逐步完善當(dāng)中。現(xiàn)在企業(yè)受到了更多的關(guān)注，所以NVMe 標(biāo)準(zhǔn)也必將走入客戶系統(tǒng)，從而讓小到個(gè)人筆記本在內(nèi)的電腦都得到性能方面的提升，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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
