NVMe控制器技術(shù)對(duì)于學(xué)者而言可能既困難又昂貴?，F(xiàn)在，新的開源選項(xiàng)可以幫助EE學(xué)生為新的存儲(chǔ)設(shè)備制作原型。

在7月的2020 USENIX年度技術(shù)會(huì)議（USENIX ATC）上，韓國高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院（KAIST）的電氣工程師宣布了一種名為OpenExpress的可免費(fèi)使用的新NVMe控制器技術(shù)。

OpenExpress的主要硬件IP內(nèi)核。圖片由KAIST的Myoungsoo Jung教授提供

他們說，這項(xiàng)技術(shù)有潛力幫助學(xué)術(shù)研究人員開發(fā)更快的存儲(chǔ)設(shè)備，而不會(huì)消耗他們的預(yù)算。KAIST團(tuán)隊(duì)解釋說，這項(xiàng)技術(shù)為研究人員提供了一個(gè)開放源代碼硬件框架來開發(fā)NVMe設(shè)備。

非易失性內(nèi)存Express（NVMe）

研究稱，NVMe被廣泛的存儲(chǔ)和非易失性存儲(chǔ)器子系統(tǒng)用作快速I / O通信接口。

它是為基于外圍組件互連-表達(dá)（PCI-E）接口的高性能存儲(chǔ)設(shè)備而設(shè)計(jì)的，旨在替代串行AT附件（SATA）協(xié)議。SATA是為處理硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）上的數(shù)據(jù)而開發(fā)的，在固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）中的性能不足。

PCle接口連接CPU和SSD。圖片由Western Digital提供

與使用SATA相比，固態(tài)硬盤中的數(shù)據(jù)處理速度幾乎快六倍，因此NVMe迅速成為超高速和大容量數(shù)據(jù)處理的首選協(xié)議。它還用于各種基于閃存的信息存儲(chǔ)設(shè)備中。

學(xué)術(shù)界對(duì)NVMe控制器的短缺

工業(yè)界通過為高速NVMe控制器保護(hù)自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）來利用它，并探索NVMe存儲(chǔ)卡對(duì)軟件堆棧的挑戰(zhàn)。但是，對(duì)于學(xué)術(shù)界而言，NVMe控制器IP并不廣泛，因?yàn)?，也許可以理解，科技公司渴望保護(hù)它。

商用NVMe控制器的示例—在本例中為Microchip的16通道第4代PCIe閃存控制器。圖片由Microchip提供

盡管研究界有充分的理由要求開放源代碼硬件框架為NVMe設(shè)備構(gòu)建新的控制器。盡管有少數(shù)公司確實(shí)提供訪問權(quán)限，但是它的價(jià)格很高，可以很容易地?cái)U(kuò)展到每月六個(gè)數(shù)字。

適用于大學(xué)的開源NVMe控制器技術(shù)

為了解決這個(gè)問題，KAIST的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了NVMe控制器技術(shù)，該技術(shù)以硬件自動(dòng)化的形式實(shí)現(xiàn)了SSD的并行數(shù)據(jù)處理。

該控制器由一系列基本硬件IP和關(guān)鍵的NVMe IP內(nèi)核組成。為了證明其性能，該團(tuán)隊(duì)使用OpenExpress（OE）構(gòu)建了NVMe硬件控制器原型，并設(shè)計(jì)了OE提供的所有邏輯以使其在高頻下運(yùn)行。

新技術(shù)的原型板和OpenExpress平面圖。圖片由KAIST的Myoungsoo Jung教授提供

使用OE開發(fā)的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）表現(xiàn)出更高的I / O數(shù)據(jù)處理能力，支持高達(dá)7 Gbps的帶寬。研究人員聲稱，與英特爾的新型Optane SSD相比，F(xiàn)PGA還顯示出76％的帶寬增加和68％的I / O延遲降低。

與英特爾的Optane SSD相比，使用OpenExpress構(gòu)建的FPGA的度量標(biāo)準(zhǔn)。圖片由KAIST的Myoungsoo Jung教授提供

從理論上講，這使其適合研究超高速和大容量存儲(chǔ)設(shè)備。

根據(jù)OE開源最終用戶協(xié)議，所有大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)均可免費(fèi)使用和修改NVMe控制器以用于非商業(yè)用途。這對(duì)于研究與NVMe控制器兼容的下一代存儲(chǔ)設(shè)備非常有用。