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(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(shí)施分布式低延遲處理。這些趨勢還導(dǎo)致了更復(fù)雜和更昂貴的數(shù)據(jù)中心存儲架構(gòu)，用于支持不同負(fù)載下，不同接口配置的硬盤驅(qū)動器與固態(tài)驅(qū)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(shè)計中實(shí)現(xiàn)U.2/U.3連接。

存儲架構(gòu)的演變

系統(tǒng)公司在設(shè)計服務(wù)器時面臨的一個主要挑戰(zhàn)，是升級存儲架構(gòu)以滿足當(dāng)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(fù)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(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)動器整合，從而優(yōu)化存儲架構(gòu)。

首先，SAS接口支持SATA SSD/HDD(硬盤驅(qū)動器)與SAS背板、主機(jī)總線適配器 (HBA)或獨(dú)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(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)器存儲架構(gòu)。

▲ 圖1：存儲架構(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)是存儲驅(qū)動器整合的第一步。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支持所有三個驅(qū)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(jìn)行優(yōu)化。它仍然需要單獨(dú)的背板、中間板和控制器來支持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個背板、1個中間板和1個控制器支持同一服務(wù)器插槽中的所有三個驅(qū)動器接口，從而實(shí)現(xiàn)真正的存儲驅(qū)動器整合，如圖3所示。U.3由存儲網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會 (SNIA)SSD外形(SFF)技術(shù)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(jī)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(qū)動器整合

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)動器。

SFF-8639連接器：該連接器放置在驅(qū)動器托架上，并將SAS、SATA和NVMe驅(qū)動器連接到三模式控制器。主機(jī)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(qū)動器。U.3的存儲驅(qū)動器整合功能，使服務(wù)器系統(tǒng)公司能夠通過使用單個連接器支持SAS/SATA和NVMe驅(qū)動器，以此來簡化其背板設(shè)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(qū)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(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重要特性：

支持驅(qū)動器托架內(nèi)存儲介質(zhì)類型之間的互換性，例如在系統(tǒng)運(yùn)行時在SAS、SATA和NVMe之間切換

無需對存儲驅(qū)動器或軟件棧做出任何改動，就能管理SAS、SATA和NVMe設(shè)備

U.3外形的優(yōu)勢

U.3規(guī)范：

通過整合SAS、SATA和NVMe驅(qū)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(fù)雜性和成本

可通過單個驅(qū)動器插槽來實(shí)施SAS、SATA和NVMe協(xié)議

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

整合SAS、SATA和NVMe驅(qū)動器的優(yōu)勢，實(shí)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 IP支持

由于可擴(kuò)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(wù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(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(kuò)頻時鐘(SSC)和獨(dú)立參考時鐘獨(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

世界一流的存儲公司已經(jīng)在使用此類解決方案。

▲ 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)全新存儲架構(gòu)的開發(fā)，因?yàn)樗転榇鎯ο到y(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)級增長，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存儲架構(gòu)的實(shí)施對于這些數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要，因?yàn)樗軌蛞詢?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)確保存儲設(shè)計符合當(dāng)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(wù)器插槽中的SAS、SATA和NVMe驅(qū)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(shí)現(xiàn)U.2/U.3連接，設(shè)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(jīng)過硅驗(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)過優(yōu)化，可滿足目標(biāo)應(yīng)用的延遲、面積和功耗要求。

原文標(biāo)題：數(shù)據(jù)量要上去，延遲要下來，數(shù)據(jù)中心存儲架構(gòu)該如何升級?

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審核編輯：湯梓紅