基于 NVMe 的存儲設(shè)計中值得關(guān)注的四個趨勢

NVM Express （NVMe） 是一種用于固態(tài)驅(qū)動器 （SSD） 的通信接口，它正在打破為旋轉(zhuǎn)介質(zhì)構(gòu)建的傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動器存儲技術(shù)的束縛。第二代 NVMe SSD 現(xiàn)已問世，存儲容量超過 10 TB。

對具有更高容量的低成本和高能效 SSD 的追求體現(xiàn)了向基于 NVMe 的閃存存儲解決方案的過渡。以用于數(shù)據(jù)中心的 NVMe 設(shè)備為例，這些設(shè)備將服務(wù)器外的存儲移動到集中位置，以便可以在多個服務(wù)器和 CPU 之間共享存儲。

NVMe 的早期采用者包括數(shù)據(jù)分析、人工智能和機器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序。NVMe 存儲技術(shù)在這里所做的是在篩選和分析后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息，同時創(chuàng)建前所未有的規(guī)模的數(shù)據(jù)集。

以下是展示 NVMe 存儲技術(shù)在未來幾天的發(fā)展方向以及設(shè)計基于 NVMe 的存儲設(shè)備時最重要的四個主要趨勢。

1. NVMe 1.3 規(guī)范下一個版本的SSD 接口事實 標準對客戶端、企業(yè)和云功能進行了重大更新。NVMe 1.3 版本增加了 10 項新功能，以下是這一添加近兩年半后最突出的三個亮點。

首先是對虛擬化的增強支持，允許設(shè)計人員靈活地將 SSD 資源分配給特定的虛擬機?，F(xiàn)在，開發(fā)人員無需在操作系統(tǒng)中模擬 NVMe SSD，這顯著提高了延遲。這是云和多租戶環(huán)境的關(guān)鍵優(yōu)勢。

然后是 Streams 功能，它通過允許閃存控制器在相關(guān)位置存儲相關(guān)數(shù)據(jù)來標記來自云托管環(huán)境中不同租戶的數(shù)據(jù)。換句話說，它通過在單個 SSD 上混合不同的工作負載來優(yōu)化性能。

圖 1：這是虛擬化在 NVMe 1.3 規(guī)范中的工作方式。

NVMe 1.3 規(guī)范還添加了 Sanitize 功能，它提供了一種完全擦除數(shù)據(jù)的本機方式，從而允許更有效地重用和停用 SSD。其他值得注意的功能包括增強的調(diào)試工具和對低資源環(huán)境中的引導(dǎo)的支持。

2. PCIe 對齊行業(yè)繼續(xù)快速向基于 PCIe 的 SSD 過渡，市場研究公司 IDC 預(yù)測，到 2021 年，基于 PCIe 的 SSD 將貢獻超過 50% 的企業(yè) SSD 收入。NVMe 正在迅速成為必備功能用于 PCIe SSD 應(yīng)用程序，因為它通過卸載主機 CPU 來降低延遲。

據(jù) IDC 稱，NVMe SSD 正在迅速取代串行高級技術(shù)附件 （SATA） 存儲設(shè)備，而與 SATA SSD 相比，NVMe SSD 的價格點正在縮小。

圖 2：PLDA 的 XpressRICH4-AXI 內(nèi)核是企業(yè)級 PCIe 4.0 接口的軟 IP。

NVMe SSD 基本上可以使用大部分 PCIe 帶寬。因此，您可以快速移動更多數(shù)據(jù)。鑒于第 4 代 PCIe 在 16 Gbps 線速下支持多達 16 條通道，并擁有 512 位數(shù)據(jù)路徑用戶界面的可用性，這是一個至關(guān)重要的優(yōu)勢。

PCIe 4.0 規(guī)范預(yù)計將于 2018 年初推出。

3. NVMe-oF 架構(gòu)的出現(xiàn) 數(shù)據(jù)密集型工作負載不可避免地需要基于 NVMe 閃存的存儲系統(tǒng)的低延遲。在這里，NVMe over Fabric （NVMe-oF） 架構(gòu)通過遠程直接內(nèi)存訪問 （RDMA） 和光纖通道網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)中心架構(gòu)提供了基于 NVMe 的 SSD 的有效擴展。

NVMe-oF 有助于在服務(wù)器和存儲之間以及存儲控制器和 NVMe 機箱之間傳輸更大的數(shù)據(jù)流。這會帶來下一代數(shù)據(jù)中心所需的更高性能、應(yīng)用程序響應(yīng)時間和可擴展性。

NVMe-oF 架構(gòu)通過支持開發(fā)具有更好吞吐量、延遲和服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 的高度優(yōu)化的存儲子系統(tǒng)來做到這一點。如何？通過允許 NVMe 控制器在 NVMe-oF 應(yīng)用程序之間傳輸大型數(shù)據(jù)流，而無需 CPU 參與數(shù)據(jù)平面。

圖 3：Mellanox 用于 NVMe-oF 設(shè)計的 BlueField 控制器芯片組擁有高速網(wǎng)絡(luò)、RDMA 卸載和多個 PCIe 通道。

Cavium 最近展示了其用于 NVMe over Fibre Channel （FC-NVMe） 的 QLogic 解決方案，該解決方案將基于 NVMe 閃存的存儲的低延遲與第 6 代光纖通道網(wǎng)絡(luò)的無損、高度確定性特性相結(jié)合。

這家總部位于加利福尼亞州圣何塞的高速網(wǎng)絡(luò)芯片供應(yīng)商還展示了其 FastLinQ 45000/41000 系列網(wǎng)絡(luò)接口卡 （NIC），它同時支持 RoCE 和 iWARP 等基于以太網(wǎng)的 RDMA 結(jié)構(gòu)。

4. SSD 控制器的演進SSD 控制器——基于閃存的存儲系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)建塊——是實現(xiàn) NVMe-oF 等下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵推動力。然而，為此，閃存 SSD 控制器必須與 NAND 容量和低密度奇偶校驗 （LDPC） 趨勢保持一致。

IntelliProp 業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁 Hiren Patel 聲稱，他公司的控制器 IP 管理硬件中的命令和完成隊列，以提高性能并減輕處理器處理大量中斷的負擔。IntelliProp 的 NVMe 主機加速器 IP 內(nèi)核正在為 Xilinx 和 Altera FPGA 發(fā)貨，包括 Ultrascale Plus 和 Arria 10 FPGA。經(jīng)過硅驗證的控制器現(xiàn)在為基于 PCIe 的 SSD 中使用的企業(yè)級、云級和客戶端級解決方案提供靈活且可配置的設(shè)計。

為企業(yè)和客戶端 SSD 應(yīng)用程序設(shè)計的 SSD 控制器必須為存儲應(yīng)用程序提供高吞吐量和數(shù)據(jù)完整性功能。他們應(yīng)該通過提供強大的 ECC 引擎支持的端到端數(shù)據(jù)保護來確保用戶數(shù)據(jù)的完整性和閃存糾錯。

圖 4：Microsemi 的 NVMe 控制器通過提供固件可重用性將成本降至最低。

許多 SSD 控制器擁有可編程架構(gòu)，可通過固件定制實現(xiàn) SSD 產(chǎn)品差異化。固件定制還允許設(shè)計人員調(diào)整存儲設(shè)備并充分利用其功能。

在許多情況下，控制器 IP 提供固件以促進數(shù)據(jù)在連接到 PCIe 鏈路上的 NVMe 端點的進出接口。固件調(diào)整存儲驅(qū)動器的靈活性帶來了獨特的性能屬性。

有望主宰閃存存儲的 NVMe 正在不斷增長，而 NVMe 技術(shù)因其能夠確保高性能和低延遲的能力而成為這一存儲趨勢中最突出的部分。因此，雖然 SATA 和 SAS 存儲技術(shù)不會很快消失，但 NVMe 似乎有望成為 SSD 的主導(dǎo)接口。