如何使用PCIe5.0/6.0 PHY IP在數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)U.2/U.3連接

人工智能（AI）和邊緣計(jì)算的部署正在推動(dòng)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心經(jīng)歷模式轉(zhuǎn)變。諸如AI賦能的物聯(lián)網(wǎng)邊緣應(yīng)用的5G、視頻流的大量數(shù)據(jù)以及全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的Zettabytes級(jí)數(shù)據(jù)等趨勢(shì)，要求超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心能夠支持呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量和實(shí)施分布式低延遲處理。這些趨勢(shì)還導(dǎo)致了更復(fù)雜和更昂貴的數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)架構(gòu)，用于支持不同負(fù)載下，不同接口配置的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器與固態(tài)驅(qū)動(dòng)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(chǔ)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)U.2/U.3連接。

存儲(chǔ)架構(gòu)的演變

系統(tǒng)公司在設(shè)計(jì)服務(wù)器時(shí)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，是升級(jí)存儲(chǔ)架構(gòu)以滿足當(dāng)前和未來(lái)的數(shù)據(jù)中心要求。這些升級(jí)包括集成多個(gè)背板、中間板和控制器，卻也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

解決該挑戰(zhàn)的一種方法是，利用一個(gè)通用基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)支持三種SSD協(xié)議（串行連接SCSI（SAS）、SATA和NVMe）的驅(qū)動(dòng)器整合，從而優(yōu)化存儲(chǔ)架構(gòu)。

首先，SAS接口支持SATA SSD/HDD（硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器）與SAS背板、主機(jī)總線適配器 （HBA）或獨(dú)立磁盤(pán)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(jìn)行單獨(dú)的配置。

圖1顯示了帶有背板、擴(kuò)展器或中間板和控制器的服務(wù)器存儲(chǔ)架構(gòu)。

▲ 圖1：存儲(chǔ)架構(gòu)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(chǔ)驅(qū)動(dòng)器整合的第一步。U.2外形支持多達(dá)4 PCI Express（PCIe）通道的NVMe SSD，以及多達(dá)雙通道的SAS/SATA SSD/HDD，如圖2所示。盡管U.2支持所有三個(gè)驅(qū)動(dòng)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(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。它仍然需要單獨(dú)的背板、中間板和控制器來(lái)支持NVMe。

▲ 圖2：U.2外形支持多達(dá)4 PCIe通道的NVMe SSD，以及最多雙通道的SAS/SATA SSD/HDD

存儲(chǔ)架構(gòu)隨著U.3規(guī)范的出現(xiàn)而進(jìn)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(gè)背板、1個(gè)中間板和1個(gè)控制器支持同一服務(wù)器插槽中的所有三個(gè)驅(qū)動(dòng)器接口，從而實(shí)現(xiàn)真正的存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器整合，如圖3所示。U.3由存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì) （SNIA）SSD外形（SFF）技術(shù)分會(huì)（TA）開(kāi)發(fā)，并由SFF-TA-1001規(guī)范定義。它還向后兼容U.2，但U.2無(wú)法與U.3主機(jī)兼容。

▲ 圖3：U.3規(guī)范支持1個(gè)背板、1個(gè)中板和1個(gè)控制器，以提供真正的接口驅(qū)動(dòng)器整合

U.3規(guī)范主要包括三模控制器、SFF-8639連接器和通用背板管理。

三模式控制器：在服務(wù)器主機(jī)和通用背板之間形成接口。它支持SAS、SATA和NVMe驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)協(xié)議，為服務(wù)器系統(tǒng)公司提供統(tǒng)一的解決方案，而不是SAS/SATA和NVMe使用單獨(dú)的控制器。這提供了靈活性，并允許根據(jù)最終應(yīng)用的需要而混用驅(qū)動(dòng)器。

SFF-8639連接器：該連接器放置在驅(qū)動(dòng)器托架上，并將SAS、SATA和NVMe驅(qū)動(dòng)器連接到三模式控制器。主機(jī)檢測(cè)到兼容的通信協(xié)議。SFF-8639連接器使用可用引腳組合來(lái)識(shí)別已有驅(qū)動(dòng)器。U.3的存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器整合功能，使服務(wù)器系統(tǒng)公司能夠通過(guò)使用單個(gè)連接器支持SAS/SATA和NVMe驅(qū)動(dòng)器，以此來(lái)簡(jiǎn)化其背板設(shè)計(jì)，如圖4所示。由于使用更少的組件，這也帶來(lái)了成本效益。

▲ 圖4：U.3連接器支持SAS、SATA和NVMe驅(qū)動(dòng)器

通用背板管理（UBM）：UBM由SSD Form Factor Working Group開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)方法，以實(shí)現(xiàn)可配置性和靈活性。UBM提供了背板管理的兩個(gè)重要特性：

支持驅(qū)動(dòng)器托架內(nèi)存儲(chǔ)介質(zhì)類(lèi)型之間的互換性，例如在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在SAS、SATA和NVMe之間切換

無(wú)需對(duì)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器或軟件棧做出任何改動(dòng)，就能管理SAS、SATA和NVMe設(shè)備

U.3外形的優(yōu)勢(shì)

U.3規(guī)范：

通過(guò)整合SAS、SATA和NVMe驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)具有成本效益的電纜和組件來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提供更高的靈活性和可配置性，同時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本

可通過(guò)單個(gè)驅(qū)動(dòng)器插槽來(lái)實(shí)施SAS、SATA和NVMe協(xié)議

支持跨服務(wù)器存儲(chǔ)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)管理工具

整合SAS、SATA和NVMe驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更好的性能+

提供支持NVMe的選項(xiàng)，NVMe的吸引力超過(guò)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 IP支持

由于可擴(kuò)展性和最低延遲等優(yōu)勢(shì)，企業(yè)存儲(chǔ)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(wù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備更快的存儲(chǔ)，例如具有PCIe PHY接口的NVMe SSD，該接口由U.2/U.3架構(gòu)支持。PCIe 4.0 PHY IP已經(jīng)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(jīng)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(shí)鐘邊緣計(jì)數(shù)器的參考時(shí)鐘檢測(cè)電路

支持25MHz參考時(shí)鐘

適用于25MHz參考時(shí)鐘的擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）和獨(dú)立參考時(shí)鐘獨(dú)立SSC（SRIS）

具有分叉多路復(fù)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(chǔ)公司已經(jīng)在使用此類(lèi)解決方案。

▲ 圖5：用于U.2/U.3連接的定制PCIe 5.0PHY

SSD公司已經(jīng)在為U.2/U.3連接設(shè)計(jì)PCIe 6.0 PHY＋Compute Express Link（CXL）IP解決方案。PCIe 6.0 PHY IP將改善內(nèi)存帶寬，CXL IP將促進(jìn)全新存儲(chǔ)架構(gòu)的開(kāi)發(fā)，因?yàn)樗転榇鎯?chǔ)系統(tǒng)的緩存提供更大的內(nèi)存池。

隨著數(shù)據(jù)量和復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在經(jīng)歷模式轉(zhuǎn)變，并納入分布式低延遲處理。U.2/U.3存儲(chǔ)架構(gòu)的實(shí)施對(duì)于這些數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要，因?yàn)樗軌蛞詢(xún)?yōu)化的性能和成本實(shí)現(xiàn)不同的工作負(fù)載。U.3標(biāo)準(zhǔn)確保存儲(chǔ)設(shè)計(jì)符合當(dāng)前和未來(lái)的數(shù)據(jù)中心要求。該規(guī)范使用1個(gè)背板、1個(gè)中板和1個(gè)控制器就能支持同一服務(wù)器插槽中的SAS、SATA和NVMe驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(tái)的向后兼容性。若想輕松實(shí)現(xiàn)U.2/U.3連接，設(shè)計(jì)人員可以可慮采用新思科技為PCIe 5.0、PCIe6.0和CXL開(kāi)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(lái)要求。

總之，新思科技提供經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證的完整PCIe控制器、PHY和驗(yàn)證IP解決方案，并已成功實(shí)現(xiàn)與第三方設(shè)備的互操作性。該解決方案經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可滿足目標(biāo)應(yīng)用的延遲、面積和功耗要求。