企業級 SSD 接口技術創新

1. PCIe 接口

PCIe 采用差分傳輸形式，提高抗干擾能力，支持更大規模的數據傳輸。PCIe高速串行總線作為差分傳輸，能夠通過兩根近距離傳輸線上傳輸相反、幅值相等的信號，實現對于外界凈電場的輻射抵消，同時保證兩條信號線在受到干擾時產生同等變化，顯著增強干擾抑制能力。PCIe 連接中每條通道包含兩對導線，分別用于數據包的發送和接收，并采用全雙工傳輸設計，允許同時發送和接收數據。最小的 PCIe 連接“x1”僅有一個通道四根導線，單方向傳輸速率為一個時鐘周期內傳輸 1 比特。不同 PCIe 規范所要求的傳輸速率不同，PCIe x16 單方向傳輸速度可達到 6.4GB/s。PCIe 的高速傳輸，能夠支持 GB 級網絡連接、聲卡、應用等多場景要求。

2. SAS 接口

SAS 接口具備更為龐大的協議體系，適應企業級 SSD 差異化應用需求。SAS（Serial Attached SCSI，串連式 SCSI）接口采用電腦集線的技術，用于外圍零件的數據傳輸，包括硬盤、CD-ROM 等，根據連接的不同設備選用相應協議進行數據傳輸。SAS 接口由三種傳輸協議組成，一是串行 SCSI 協議 (SSP)，用于和 SCSI設備間的數據傳輸；二是串行 ATA 通道協議 (STP)，用于和 SATA 設備間的數據傳輸；三是 SCSI 管理協議 (SMP)，用于維護和管理 SAS 設備。

SAS 技術通過雙端口設計、全雙工模式、后端存儲網絡等方式，優化企業級SSD 操作系統效能,增強可用性、擴展性和兼容性。SAS 雙端口功能是應用于企業級 SSD 的關鍵設計。SAS 接口的信號區和電源區之間沒有缺口，并在此基礎上增加了一組傳輸信號以實現雙端口功能，為企業級的多路徑應用提供支持。而SATA 接口中間存在缺口，因此可以正常連入SAS 背板連接器，確保 SAS 能兼容 SATA。

SAS 接口雙端口功能和全雙工工作模式，使其在收發信號時，擁有兩對差分信號對。通過 SAS 網絡可以將一定量的存儲盤進行互連，形成后端存儲網絡，涵蓋內部連接線纜和外部連接線纜兩大類。常用于內部的硬盤連接線纜，同時帶有電源和信號線，可以直接連接硬盤；為節約空間，使用內部 Mini SAS線纜連接器，其信號定義如表 4 和接口定義圖 11 所示，最多可以支持 4 個 PHY的互連，內部 Mini-SAS HD 接口體積則更小。SAS 外部互連線纜同樣可以采用mini-SAS 和 mini-SAS HD 進行連接，并使用支持 4PHY SAS 互連的 QSFP 連接器。

3. U.2 接口

U.2 接口具備兼容性、高速率、低延遲、低功耗優勢，適用于企業級 SSD。U.2接口又被稱為 SFF-8639（SSD Form Factor 8639），U.2 SSD 是一種高性能數據存儲設備，旨在使用 SFF（small form factor，小尺寸）連接器支持 PCIe 接口，同時兼容標準化的 SAS 和 SATA 旋轉磁盤和 SSD。

U.2 接口能夠兼容 SATA、SAS、PCIe。U.2 接口支持 1 個 SATA 接口、2 個 SAS 接口或 PCIe 企業級 SSD 硬盤中最多 4 個并行通道的 I/O，理論傳輸速度高達 32Gbps，而 SATA 只有 6Gbps，比SATA 速度提高 5 倍以上。在雙控制器存儲陣列中，每對雙通道 PCIe 鏈路相互獨立運行，允許一個控制器出現故障，SFF-8639 連接器上已定義信號能夠顯示驅動器是在單端口還是雙端口模式下工作。U.2 接口比 M.2 接口尺寸更大，因此最大存儲容量也相應增多，同時 U.2 散熱能力更強，耐受更高的工作溫度，在高密度寫入操作時，U.2 性能不會因為驅動器升溫而降低性能。

企業級 SSD 傳輸協議創新

1. NVMe

NVMe 簡化了協議復雜性，顯著提高了 SSD 的讀寫性能。NVMe 充分利用PCIe 通道的低延時以及并行性，通過降低協議交互時延，增加協議并發能力，并且精簡操作系統協議堆棧。NVMe 協議支持大規格 IO 隊列和大并發，最大支持64K 個 IO 隊列，每個 IO 隊列支持 64K 個 IO 并發。通過 IO 隊列和 CPU 核對應，避免多個 CPU 核競爭 IO 隊列，IO 流程天生免鎖設計，實現更低的時延，降低 CPU 資源消耗，充分發揮 NVMe SSD 的性能。

和傳統 SCSI 體系比較，NVMe 協議更為簡單高效。從協議路徑上看，在主機側，NVMe 驅動協議棧去掉了傳統 IO 系統中的 IO 調度層和復雜的 SCSI 協議層，換成輕量級的 NVMe 協議。從硬件傳輸路徑上看，在存儲側，無需 SAS 控制器和 SAS Expander，SSD 通過 PCIe 總線連接，實現更低的時延，更大的帶寬，更少的 CPU 資源消耗。

2. NVMe-oF

NVMe-oF 可以實現大規模計算機集群與其他多個設備互聯，把 NVMe 協議在單系統中的高性能、低延遲和低協議負擔優勢應用于整個數據中心。NVMe-oF（NVMe over Fabrics）協議使用基于消息的模型在主機和目標存儲設備之間進行通信，能夠將 NVMe 映射到以太網、光纖通道、RoCE 或 InfiniBand 等多個 Fabrics傳輸協議中。NVMe-oF 使用 Fabrics（如 RDMA 或光纖通道）代替 PCIe 在互聯架構上進行傳輸映射，使主機能夠訪問節點外的 NVMe SSD 資源。使用 Fabrics的前提是端點之間發送和接收消息不需要共享內存。NVMe-oF 中的目標被稱為命名空間，NVMe-oF 允許主機跨越更遠的距離與存儲目標通信，同時保持超低的微秒級延時，與 SCSI 和 SATA 協議相比，將訪問時間縮短了幾個數量級。

NVMe-oF 與 NVMe 一樣，能夠支持 65000 個隊列，每個隊列深度最多為 65000個命令，使得 NVMe-oF 能夠在主機和驅動器之間實現高度并行的架構，保證每個設備使用單獨隊列。

NVMe-oF 擴展了 NVMe 規范在 PCIe 總線上的實現，把 NVMe 映射到多種物理網絡傳輸通道，實現高性能的存儲設備網絡共享訪問。NVMe-oF 通過把NVMe 映射到多個物理網絡傳輸通道，在各種物理傳輸層上實現高效 NVMe 命令，達到降低存儲網絡協議棧處理開銷并實現高并發、低時延的目的。NVMe-oF 和 NVMe 之間的主要區別是傳輸命令的機制，基于網絡遠程訪問 NVMe 設備，實現 NVMe 設備高效共享訪問，借助 NVMe-oF，可以實現 RACK 級別的 NVMe。

使用 NVMe-oF，能夠在性能、擴展能力、易用性等方面形成優勢。NVMe-oF 網絡延遲低，能夠處理并行請求，提高和優化性能，包括存儲陣列性能等，減少服務器端 OS 存儲堆棧的長度，實現高速率和高可擴展性；支持 NVMe 主機啟動器與存儲系統之間同時存在多條路徑，能夠一次從許多主機和存儲子系統發送和接收命令。

將 NVMe-oF 與 RDMA、FC 或 TCP 一起使用，可以形成完整的端到端NVMe 存儲解決方案，在顯著提升性能的同時，通過 NVMe 實現極低時延。NVMe-oF over RDMA（NVMe/RDMA）使用 TCP 傳輸協議在 IP 網絡上傳遞數據，典型的 RDMA 應用包括虛擬接口架構（Virtual Interface Architecture）、RDMA?over Converged Ethernet（RoCE）、InfiniBand、omnipath 和 iWARP，其中使用最多的是 RoCE、InfiniBand 和 iWARP；NVMe over Fibre Channel（FC-NVMe）使用 16GB FC 或 32GB FC 的 HBA 和 SAN 交換機，可以將 NVMe 協議封在 FC 架構中，是 SAN 基礎設施的最佳解決方案；NVMe over TCP/IP（NVMe/TCP）使用 NVMe-oF 和 TCP 協議在以太網傳輸數據，與 RDMA 和 FC 相比，是一種更便宜、更靈活的替代方案。

3. ZNS

Zoned Namespaces（ZNS）是從 Open Channel（開放通道）SSD 基礎上發展而來的。這個概念在 NVMe 標準工作組技術提案，這個方案把 Namespace 的邏輯地址空間切分成多個 zone，因此它繼承了 Open Channel SSD I/O 分離、可預測性延遲等優勢。并且 ZNS 協議簡化了軟件架構，用戶可以定制開發，所以應用范圍更加廣泛。

ZNS 允許根據數據的使用和訪問頻率對數據進行分組，并按順序存儲在 SSD的獨立區域中。無需移動和重新排列數據，ZNS SSD 可以顯著減少寫入操作的數量，降低驅動器的寫入放大因子 (WAF)——與主機系統最初指示的寫入相比，驅動器執行的實際寫入量。WAF 越接近 1，SSD 的效率就越高，持續的時間就越長。

ZNS SSD 可以實現 WAF (Write amplification) 接近1，相比于一般服務器SSD 的 WAF 值在 3 到 4 之間，這是一個重大進展。這將使驅動器的使用壽命是傳統的非易失性內存主機控制器接口規范 (NVMe) SSD 的四倍，使其成為服務器基礎架構更環保、更可持續的解決方案。ZNS 還允許用戶利用 SSD 的全部容量，消除對預留空間的需求，而預留空間要求為背景任務保留一些存儲空間。這些改進使企業客戶能夠以更高的效率處理大數據和人工智能應用程序。 ?

編輯：黃飛

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