如何使用PCI Express(PCIe)5.0/6.0PHY IP在數(shù)據(jù)中心存儲設計中實現(xiàn)U.2/U.3連接

人工智能 (AI) 和邊緣計算的部署正在推動超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心經歷模式轉變。諸如 AI 賦能的物聯(lián)網邊緣應用的 5G、視頻流的大量數(shù)據(jù)以及全自動駕駛汽車的 Zettabytes 級數(shù)據(jù)等趨勢，要求超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心能夠支持呈指數(shù)級增長的數(shù)據(jù)量和實施分布式低延遲處理。這些趨勢還導致了更復雜和更昂貴的數(shù)據(jù)中心存儲架構，用于支持不同負載下，不同接口配置的硬盤驅動器與固態(tài)驅動器（SSD）組合。本文將解釋如何使用 PCI Express (PCIe) 5.0/6.0 PHY IP 在數(shù)據(jù)中心存儲設計中實現(xiàn) U.2/U.3 連接。

存儲架構的演變

系統(tǒng)公司在設計服務器時面臨的一個主要挑戰(zhàn)，是升級存儲架構以滿足當前和未來的數(shù)據(jù)中心要求。這些升級包括集成多個背板、中間板和控制器，卻也增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。 解決該挑戰(zhàn)的一種方法是，利用一個通用基礎設施，實現(xiàn)支持三種 SSD 協(xié)議（串行連接 SCSI (SAS)、SATA 和 NVMe）的驅動器整合，從而優(yōu)化存儲架構。 首先，SAS 接口支持 SATA SSD/HDD（硬盤驅動器）與 SAS 背板、主機總線適配器 (HBA) 或獨立磁盤 RAID 冗余陣列 (RAID) 控制器互操作。但這不適用于NVMe SSD，需要利用支持 NVMe 的背板進行單獨的配置。 圖 1 顯示了帶有背板、擴展器或中間板和控制器的服務器存儲架構。

圖 1：存儲架構需要不同的 SAS、SATA 和 NVMe 背板 基于 SFF-8639 外形的 U.2 規(guī)范的出現(xiàn)是存儲驅動器整合的第一步。U.2 外形支持多達 4 PCI Express (PCIe) 通道的 NVMe SSD，以及多達 雙通道的 SAS/SATA SSD/HDD，如圖 2 所示。盡管 U.2 支持所有三個驅動器接口（NVMe、SAS 和 SATA），但由于它不能在同一插槽中提供可互換的 SAS/SATA/NVMe 支持，因此未對其進行優(yōu)化。它仍然需要單獨的背板、中間板和控制器來支持 NVMe。

圖 2：U.2 外形支持多達 4 PCIe 通道的 NVMe SSD，以及最多雙通道的 SAS/SATA SSD/HDD 存儲架構隨著 U.3 規(guī)范的出現(xiàn)而進一步發(fā)展，U.3 規(guī)范建立在 SFF-8639 連接器之上。U.3 使用 1 個背板、1 個中間板和 1 個控制器支持同一服務器插槽中的所有三個驅動器接口，從而實現(xiàn)真正的存儲驅動器整合，如圖 3 所示。U.3 由存儲網絡行業(yè)協(xié)會 (SNIA) SSD 外形 (SFF) 技術分會 (TA) 開發(fā)，并由 SFF-TA-1001 規(guī)范定義。它還向后兼容 U.2，但 U.2 無法與 U.3 主機兼容。

圖 3：U.3 規(guī)范支持 1 個背板、1 個中板和 1 個控制器，以提供真正的接口驅動器整合 U.3 規(guī)范主要包括三?？刂破?、SFF-8639 連接器和通用背板管理。 三模式控制器：在服務器主機和通用背板之間形成接口。它支持 SAS、SATA 和 NVMe 驅動器的相應協(xié)議，為服務器系統(tǒng)公司提供統(tǒng)一的解決方案，而不是為 SAS/SATA 和 NVMe 使用單獨的控制器。這提供了靈活性，并允許根據(jù)最終應用的需要而混用驅動器。 SFF-8639 連接器：該連接器放置在驅動器托架上，并將 SAS、SATA 和 NVMe 驅動器連接到三模式控制器。主機檢測到兼容的通信協(xié)議。SFF-8639 連接器使用可用引腳組合來識別已有驅動器。U.3 的存儲驅動器整合功能，使服務器系統(tǒng)公司能夠通過使用單個連接器支持 SAS/SATA 和 NVMe 驅動器，以此來簡化其背板設計，如圖 4 所示。由于使用更少的組件，這也帶來了成本效益。

圖 4：U.3 連接器支持 SAS、SATA 和 NVMe 驅動器 通用背板管理 (UBM)：UBM 由 SSD Form Factor Working Group 開發(fā)，由 SFF-TA-1005 規(guī)范定義，提供管理和控制 SAS、SATA 和 NVMe 背板的標準方法，以實現(xiàn)可配置性和靈活性。UBM 提供了背板管理的兩個重要特性：

支持驅動器托架內存儲介質類型之間的互換性，例如在系統(tǒng)運行時在 SAS、SATA 和 NVMe 之間切換

無需對存儲驅動器或軟件棧做出任何改動，就能管理 SAS、SATA 和 NVMe 設備

U.3 外形的優(yōu)勢

U.3 規(guī)范：

通過整合 SAS、SATA 和 NVMe 驅動器，并通過具有成本效益的電纜和組件來簡化系統(tǒng)，提供更高的靈活性和可配置性，同時降低系統(tǒng)復雜性和成本

可通過單個驅動器插槽來實施 SAS、SATA 和 NVMe 協(xié)議

支持跨服務器存儲協(xié)議的標準管理工具

整合 SAS、SATA 和 NVMe 驅動器的優(yōu)勢，實現(xiàn)更好的性能+

提供支持 NVMe 的選項，NVMe 的吸引力超過 SAS 和 SATA

保持與 U.2 的向后兼容性

適用于 U.2/U.3 外形的 PCIe PHY IP 支持

由于可擴展性和最低延遲等優(yōu)勢，企業(yè)存儲正在從 SATA 遷移到 NVMe。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心需要為業(yè)務數(shù)據(jù)準備更快的存儲，例如具有 PCIe PHY 接口的 NVMe SSD，該接口由 U.2/U.3 架構支持。PCIe 4.0 PHY IP 已經部署在 NVMe SSD 中，，隨著性能要求從 16GT/s 翻倍到 32GT/s， PCIe 5.0 接口的重要性已經不言而喻。 如圖 5 所示，定制、面積優(yōu)化的 6 通道 PCIe 5.0 PHY 解決方案可用于支持 U.2/U.3 連接，其功能包括：

帶遲滯和數(shù)字時鐘邊緣計數(shù)器的參考時鐘檢測電路

支持 25MHz 參考時鐘

適用于 25MHz 參考時鐘的擴頻時鐘 (SSC) 和獨立參考時鐘獨立 SSC (SRIS)

具有分叉多路復用器 (MUX) 和任何 MUX 通道的統(tǒng)一物理編碼子層 (PCS) 包裝器

世界一流的存儲公司已經在使用此類解決方案。

圖 5：用于 U.2/U.3 連接的定制 PCIe 5.0 PHY SSD 公司已經在為 U.2/U.3 連接設計 PCIe 6.0 PHY ＋ Compute Express Link (CXL) IP 解決方案。PCIe 6.0 PHY IP 將改善內存帶寬，CXL IP 將促進全新存儲架構的開發(fā)，因為它能為存儲系統(tǒng)的緩存提供更大的內存池。

總結

隨著數(shù)據(jù)量和復雜性呈指數(shù)級增長，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在經歷模式轉變，并納入分布式低延遲處理。U.2/U.3 存儲架構的實施對于這些數(shù)據(jù)中心至關重要，因為它能夠以優(yōu)化的性能和成本實現(xiàn)不同的工作負載。U.3 標準確保存儲設計符合當前和未來的數(shù)據(jù)中心要求。該規(guī)范使用 1 個背板、1 個中板和 1 個控制器就能支持同一服務器插槽中的 SAS、SATA 和 NVMe 驅動器。除了系統(tǒng)靈活性外，U.3 規(guī)范還提供 SAS、SATA 和 NVMe 之間的替換路徑。由于走線、電纜和連接器更少，U.3 簡化了背板系統(tǒng)并降低了總體擁有成本。它還保持與 U.2 平臺的向后兼容性。若想輕松實現(xiàn) U.2/U.3 連接，設計人員可以可慮采用新思科技為PCIe 5.0、PCIe6.0和CXL開發(fā)的新思科技IP。PCIe 5.0 的新思科技IP提供定制的 x6 通道解決方案，支持 U.2/U.3 外形，新思科技 PCIe 6.0 IP方案則可以滿足 U.2/U.3 的未來要求。 總之，新思科技提供經過硅驗證的完整 PCIe 控制器、PHY 和驗證 IP 解決方案，并已成功實現(xiàn)與第三方設備的互操作性。該解決方案經過優(yōu)化，可滿足目標應用的延遲、面積和功耗要求。

審核編輯 ：李倩