PCIe閃存控制器技術(shù)解析

　　我們知道閃存磁盤是在HDD以后出現(xiàn)的，由于SSD優(yōu)異的隨機(jī)性能、越來越大的容量和越來越低的成本等優(yōu)勢(shì)，使得閃存熱度上升、乃至大有替換HDD的趨勢(shì)。由于歷史繼承性等原因，SSD在設(shè)計(jì)是也是借鑒了部分HDD技術(shù)，包含接口技術(shù)。

　　現(xiàn)在絕大多數(shù)SSD都是采用SATA/SAS接口，但是通用的SATA/SAS接口是針對(duì)HDD設(shè)計(jì)，但面對(duì)閃存速度上百倍的提升，接口的帶寬就成為了I/O的最大瓶頸；隨后PCIe接口的SSD也得到廣泛應(yīng)用來應(yīng)對(duì)高性能要求；美光也開始探索串行NOR閃存接口。

　　到目前為止，大部分存儲(chǔ)廠商都推出了對(duì)應(yīng)的PCIe閃存卡（如 EMC XtremSF PCIe SSD卡 ）和磁盤。

　　PCIe-SSD架構(gòu)解析

　　PCIe作為CPU的局部總線，最大的特點(diǎn)在于數(shù)據(jù)傳輸吞吐量大和延遲低。對(duì)于NandFlash固態(tài)存儲(chǔ)而言，傳統(tǒng)磁盤存儲(chǔ)領(lǐng)域存在的隨機(jī)讀寫問題將不復(fù)存在，因此，整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的瓶頸從存儲(chǔ)介質(zhì)轉(zhuǎn)移到了傳輸接口上來了。為存儲(chǔ)而生的SATA/SAS接口在SSD上的表現(xiàn)不是那么理想了，非常影響IO的傳輸延遲。為此，顯而易見，存儲(chǔ)接口應(yīng)該從傳統(tǒng)的SATA/SAS往離CPU更近的系統(tǒng)總線PCIe或者DIMM方向發(fā)展。

　　大家其實(shí)很早就認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，當(dāng)年Fusion-io推出基于PCIe的閃存卡時(shí)，讓整個(gè)業(yè)界為此眼前一亮，原來閃存也可以這么玩？為此，F(xiàn)usion-io在前幾年都一直非常的紅火。NandFlash本身不是一個(gè)新東西，基于NandFlash的存儲(chǔ)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，以及移動(dòng)存儲(chǔ)領(lǐng)域早就開始應(yīng)用了。但是，將NandFlash作為數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)介質(zhì)、在消費(fèi)電子領(lǐng)域替代磁盤，也就發(fā)展了沒有多少年。作為磁盤存儲(chǔ)的第二選擇，很多芯片廠商提供了基于SATA、SAS接口的NandFlash控制器，例如Marvell、LSI都有類似的芯片。

　　但是，為了能夠充分利用NandFlash存儲(chǔ)介質(zhì)的特性，SATA、SAS接口本身就是一個(gè)性能瓶頸點(diǎn)。這兩年基于PCIe接口的SSD存儲(chǔ)一直在蓬勃發(fā)展，由于整個(gè)行業(yè)處于軍閥混戰(zhàn)的年代，nvme標(biāo)準(zhǔn)還沒有充分的得到落實(shí)，所以，這方面的接口控制器也就五花八門，個(gè)具特色。

　　在市場(chǎng)早期，很多廠商為了能夠快速進(jìn)入市場(chǎng)，利用現(xiàn)有技術(shù)很快構(gòu)建出了PCIe接口的閃存卡。典型的產(chǎn)品如上圖所示，這是一款Oracle（SUN）的PCIe Flash卡，采用4個(gè)Marvell閃存控制器的SATA閃存模塊，通過LSISAS1068E控制器連接到PCIe總線上。這種結(jié)構(gòu)將已經(jīng)成熟的HBA控制器和基于SATA/SAS接口的NandFlash控制器技術(shù)結(jié)合了起來，具體如下所示：

　　從技術(shù)的角度來看，采用這種方案顯然引入了延遲，中間多了一層SATA/SAS接口的轉(zhuǎn)換。所以，這種卡的性能往往會(huì)比Fusion-IO的性能要差。原因在于Fusion-IO沒有采用這種簡(jiǎn)單的技術(shù)堆疊，而是采用FPGA自己做了一個(gè)基于PCIe的NandFlash控制器。采用這種技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

　　上述方案最大的好處是降低了IO延遲，去除了無謂的SAS/SATA接口層，使NandFlash直接連到了PCI總線上。這種直接基于PCI總線的技術(shù)方案也被稱之為Native PCIe方案，并且已經(jīng)成為各個(gè)廠商公認(rèn)的未來閃存存儲(chǔ)的技術(shù)路線之一。所以，從芯片廠商的角度出發(fā)，急需需要研制基于PCI接口的閃存控制器，替代現(xiàn)有的接口轉(zhuǎn)換方式。

　　如今以Intel為首的Nvme標(biāo)準(zhǔn)如火如荼的推進(jìn)，并且慢慢的被各大廠商接受。一旦Nvme標(biāo)準(zhǔn)大范圍的應(yīng)用，基于該標(biāo)準(zhǔn)的控制器將會(huì)大量涌現(xiàn)，到那時(shí)，基于PCI總線的閃存存儲(chǔ)將會(huì)和現(xiàn)在的SATA/SAS存儲(chǔ)一樣，成為應(yīng)用主流。有時(shí)候在想，F(xiàn)usion-IO為什么當(dāng)年沒有和Intel進(jìn)行合作？或者為什么Fusion-IO沒有自己來推動(dòng)閃存控制器的變革，讓更多的廠商一起加入到這個(gè)游戲圈中來？從短期來看，F(xiàn)usion-IO的產(chǎn)品有很大的價(jià)值，但是，從長(zhǎng)期來看，更大的價(jià)值在于控制器、基于Nandflash存儲(chǔ)軟件的標(biāo)準(zhǔn)化。Flash存儲(chǔ)的市場(chǎng)空間巨大，標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)是大勢(shì)所趨。雖然Fusion-IO發(fā)展很早，但是，沒有趕上標(biāo)準(zhǔn)化的快車，因此，標(biāo)準(zhǔn)化的集團(tuán)軍會(huì)對(duì)Fusion-IO進(jìn)行圍剿，從而導(dǎo)致Fusion-IO發(fā)展困難。