IT 部門(mén)面臨著必須選擇和配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以滿足其組織當(dāng)前和未來(lái)的數(shù)據(jù)中心、系統(tǒng)和最終用戶需求的挑戰(zhàn)。 他們必須預(yù)測(cè)未來(lái)幾年的應(yīng)用程序使用情況、工作負(fù)載大小、性能需求和容量預(yù)期。 確定這些要求，然后實(shí)施滿足當(dāng)前和未來(lái)這些需求的存儲(chǔ)策略，對(duì)于任何 IT 部門(mén)來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)系統(tǒng)的升級(jí)對(duì) IT 提出了另一個(gè)挑戰(zhàn)，并且通常受到原始硬件采購(gòu)的限制。 例如，如果部署了基于 SATA 的存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)，則包括服務(wù)器背板、存儲(chǔ)控制器和替換驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的所有硬件升級(jí)都需要基于 SATA 或可能基于 SAS。 為了使存儲(chǔ)發(fā)展到一個(gè)新的水平，必須構(gòu)建計(jì)算系統(tǒng)以支持使用當(dāng)前和未來(lái)資源的所需應(yīng)用程序。 如果實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，IT 的最終結(jié)果可能與存儲(chǔ)成本和系統(tǒng)復(fù)雜性的降低有關(guān)。

隨著 SFF-TA-1001 規(guī)范的出現(xiàn)¹（也稱(chēng)為 U.3），存儲(chǔ)行業(yè)越來(lái)越接近于為當(dāng)前和未來(lái)的應(yīng)用程序需求配置存儲(chǔ)。 U.3 是指符合 SFF-TA-1001 規(guī)范的術(shù)語(yǔ)，它還要求符合 SFF-8639 模塊規(guī)范². 基于 U.3 的解決方案可以通過(guò)使用單一背板和控制器的三模式配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，支持來(lái)自一個(gè)服務(wù)器插槽的所有三個(gè)驅(qū)動(dòng)器接口（SAS、SATA 和 PCIe?）。無(wú)論接口如何，SAS 和 SATA SSD 和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以及 NVMe?SSD 可在基于 U.3 的服務(wù)器內(nèi)互換，并可在同一物理插槽中使用。U.3 可滿足許多行業(yè)需求，同時(shí)保護(hù)初始存儲(chǔ)投資。

行業(yè)挑戰(zhàn)  當(dāng)今的服務(wù)器存儲(chǔ)架構(gòu)在適應(yīng)混合或分層環(huán)境的方式上面臨著挑戰(zhàn)。 在任何特定服務(wù)器中，存儲(chǔ)可能需要根據(jù)工作負(fù)載的需要配置不同接口的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和 SSD 組合。 例如，工程團(tuán)隊(duì)可能需要快速 NVMe 驅(qū)動(dòng)器來(lái)測(cè)試其開(kāi)發(fā)環(huán)境中的代碼。 另一個(gè)工作組可能需要 SAS 驅(qū)動(dòng)器來(lái)為其創(chuàng)收數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)高可用性和容錯(cuò)能力。 而且，另一組可能依賴(lài)容量?jī)?yōu)化的 SATA 驅(qū)動(dòng)器或有價(jià)值的 SAS 驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)時(shí)分析冷數(shù)據(jù)。 無(wú)論應(yīng)用程序是什么，都可以對(duì)服務(wù)器的各個(gè)部分進(jìn)行分段，以解決各種用例。

從服務(wù)器設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，如果沒(méi)有 U.3，原始設(shè)備制造商需要開(kāi)發(fā)多個(gè)背板、中間板和控制器以適應(yīng)所有可用的驅(qū)動(dòng)器接口，這會(huì)產(chǎn)生大量具有挑戰(zhàn)性的 SKU 和采購(gòu)選項(xiàng)供客戶選擇。

當(dāng) SAS 接口使企業(yè) SATA SSD 和 HDD 能夠連接到 SAS 背板、HBA 或 RAID 控制器時(shí)，驅(qū)動(dòng)器整合向前邁出了第一步。 這種能力一直持續(xù)到今天，因?yàn)榇蠖鄶?shù)服務(wù)器都附帶 SAS HBA 或 RAID 卡，使 SAS 和 SATA SSD/HDD 能夠在同一個(gè)驅(qū)動(dòng)器托架中使用。 盡管 SATA 驅(qū)動(dòng)器可以輕松地與 SAS 驅(qū)動(dòng)器交換，但不支持 NVMe SSD，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀恍枰褂弥С?NVMe 的背板的單獨(dú)配置（圖 1）。

圖 1 描繪了 SAS、SATA 和 PCIe 接口所需的獨(dú)立背板

支持 NVMe SSD 作為驅(qū)動(dòng)器整合策略的一部分非常重要，因?yàn)檫@些部署正在增加，因?yàn)樗鼈儽?SAS 和 SATA SSD 提供了顯著的性能改進(jìn)。 到 42.5 年底，企業(yè)（包括數(shù)據(jù)中心和企業(yè)版）NVMe SSD 的單位消耗預(yù)計(jì)將占所有 SSD 的 2019% 以上3. 75年底企業(yè)單耗提高到2021%以上，91年底提高到2023%以上3. 目前，基于 NVMe 的服務(wù)器、基礎(chǔ)設(shè)施和 RAID 控制器選項(xiàng)處于早期階段，需要許多數(shù)據(jù)中心繼續(xù)使用基于 SAS 的 RAID 硬件，以提供成熟、強(qiáng)大的容錯(cuò)和性能水平。 要直接遷移到 NVMe 存儲(chǔ)，通常需要購(gòu)買(mǎi)新的支持 NVMe 的服務(wù)器，這些服務(wù)器使用特定于 NVMe 的背板和控制器。

隨著 SFF-8639 連接器的可用性以及 SFF-8639 模塊規(guī)范的開(kāi)發(fā)，下一步是通過(guò)一個(gè)通用基礎(chǔ)設(shè)施支持所有三種 SSD 協(xié)議。 該連接器旨在為 NVMe SSD 支持多達(dá)四個(gè) PCIe 通道，為 SAS/SATA HDD 或 SSD 支持多達(dá)兩個(gè)通道。 符合 SFF-8639 模塊規(guī)范已指定為 U.2。 SFF-8639 連接器的插座版本安裝在服務(wù)器背板上，雖然它支持所有三種驅(qū)動(dòng)器接口，但 NVMe 和 SAS/SATA 驅(qū)動(dòng)器不可互換，除非為兩者配置了托架。 仍然需要單獨(dú)的支持 NVMe 的背板來(lái)支持 NVMe SSD。

驅(qū)動(dòng)器整合現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到 U.3，其中 SAS、SATA 和 NVMe 驅(qū)動(dòng)器在與三模背板和控制器一起使用時(shí)都通過(guò)一個(gè) SFF-8639 連接器得到支持（圖 2），并且還與 SFF-8639 模塊兼容規(guī)范（U.2）。 對(duì)于這種方法，使用相同的 8639 連接器，只是高速通道被重新映射以支持所有三種協(xié)議。 U.3 規(guī)范包括多協(xié)議接受設(shè)備連接器的引出線和用法，由 存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì) (SNIA) SSD 外形規(guī)格 (SFF) 技術(shù)聯(lián)盟 (TA)。 該規(guī)范于 2017 年 XNUMX 月獲得批準(zhǔn)。

圖 2 描繪了 SAS、SATA 和 PCIe 接口的 U.3 三模式通用存儲(chǔ)配置

U.3 關(guān)鍵組件  U.3 三模平臺(tái)可通過(guò)單個(gè)背板設(shè)計(jì)和 SFF-8639 連接器（根據(jù) SFF-TA-1001 規(guī)范定義的修改布線）從同一服務(wù)器插槽容納 NVMe、SAS 和 SATA 驅(qū)動(dòng)器。 該平臺(tái)包括： (1) 三?？刂破?； (2) SFF-8639 連接器（一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)用于背板）； (3) 通用背板管理框架。

• 三模式控制器

  三?？刂破髟谥鳈C(jī)服務(wù)器和驅(qū)動(dòng)背板之間建立連接，支持 SAS、SATA 和 NVMe 存儲(chǔ)協(xié)議。 它具有存儲(chǔ)處理器、高速緩存和與存儲(chǔ)設(shè)備的接口連接。 存儲(chǔ)適配器支持所有三種接口，通過(guò)單一物理連接驅(qū)動(dòng)三種協(xié)議的電信號(hào)。 控制器內(nèi)的“自動(dòng)檢測(cè)”功能確定控制器當(dāng)前正在為三種接口協(xié)議中的哪一種提供服務(wù)。

  從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，三?？刂破魇?OEM 無(wú)需使用一個(gè)專(zhuān)用于 SAS 和 SATA 協(xié)議的控制器，以及一個(gè)用于 NVMe 的不同控制器。 它提供簡(jiǎn)化的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì) SAS、SATA 和 NVMe 驅(qū)動(dòng)器協(xié)議的通用托架支持。 憑借這種靈活性，多種驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型可以與 SAS 和 SATA SSD/HDD 以及 NVMe SSD 混合搭配。
  

• SFF-8639 連接器

  SFF-8639 連接器使背板上的給定驅(qū)動(dòng)器插槽能夠連接到單根電纜，因此它可以提供對(duì) SAS、SATA 或 NVMe 設(shè)備的訪問(wèn)，并確定由三模式主機(jī)驅(qū)動(dòng)的正確通信協(xié)議。 SFF-TA-1001 (U.3) 規(guī)范通過(guò)定義引腳使用和插槽檢測(cè)以及解決在設(shè)計(jì)接受 NVMe 和 SAS/SATA 存儲(chǔ)的背板插座時(shí)發(fā)生的主機(jī)和背板布線問(wèn)題將組件聯(lián)系在一起設(shè)備（圖3）。

  

  圖 3 展示了向 U.3 三模連接器的演變

  SFF-TA-1001 規(guī)范支持 SFF-8639 連接器上的三種接口類(lèi)型，其中主機(jī)信號(hào)用于識(shí)別其類(lèi)型，設(shè)備信號(hào)用于識(shí)別其配置（例如，雙端口 PCIe）。

  U.3 消除了對(duì)單獨(dú)的 NVMe 和 SAS/SATA 適配器的需求，使 OEM 能夠使用更少的走線、電纜和連接器簡(jiǎn)化其背板設(shè)計(jì)。 這帶來(lái)了與構(gòu)建具有更少組件的背板相關(guān)的成本優(yōu)勢(shì)，以及 OEM 服務(wù)器和組件 SKU 的整體簡(jiǎn)化。 基于 U.3 的設(shè)備需要向后兼容 U.2 主機(jī)

• 通用背板管理框架

  通用背板管理 (UBM) 框架定義并提供了一種管理和控制 SAS、SATA 和 NVMe 背板的通用方法（圖 4）。 它也是由 SSD 外形規(guī)格工作組根據(jù)批準(zhǔn)的規(guī)范 SFF-TA-1005 開(kāi)發(fā)的4并為所有服務(wù)器存儲(chǔ)提供相同的管理框架，無(wú)論接口協(xié)議（SAS、SATA 或 NVMe）或存儲(chǔ)介質(zhì)（HDD 或 SSD）如何。

  

  圖 4 僅展示了 U.3 背板和托架管理所需的一個(gè)域
  

資料來(lái)源：博通? 公司⁵

管理框架允許用戶管理 SAS、SATA 和 NVMe 設(shè)備，而無(wú)需對(duì)驅(qū)動(dòng)程序或軟件堆棧進(jìn)行任何更改，并解決了許多對(duì) NVMe 協(xié)議非常重要的系統(tǒng)級(jí)任務(wù)，特別是對(duì) U.3 操作。 這種管理包括以下能力：

• 提供確切的機(jī)箱插槽位置。 對(duì)于此功能，UBM 框架使用戶能夠輕松識(shí)別需要更換的存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器所在的位置，或者在與故障排除相關(guān)時(shí)識(shí)別可能與驅(qū)動(dòng)器插槽、電纜、電源或驅(qū)動(dòng)器本身相關(guān)的問(wèn)題。
• 啟用電纜安裝順序獨(dú)立性。 為了在三模配置之前解決此功能，用戶需要將特定電纜鋪設(shè)到特定驅(qū)動(dòng)器插槽，因?yàn)榭傠娎|長(zhǎng)度在這些配置中極為重要。 在三模配置中，多用途電纜連接到所有驅(qū)動(dòng)器插槽，從而消除了這個(gè)問(wèn)題。
• 管理背板上的 LED 模式。 UBM 框架使用戶能夠在每個(gè)驅(qū)動(dòng)器上使用 LED 編碼，提供驅(qū)動(dòng)器活動(dòng)的可見(jiàn)信號(hào)，包括驅(qū)動(dòng)器使用、驅(qū)動(dòng)器故障、電源等。
• 啟用電源和環(huán)境管理。 UBM 框架管理插槽和存儲(chǔ)設(shè)備的電源，其主要功能是重新啟動(dòng)無(wú)響應(yīng)的設(shè)備。
• 啟用 PCIe 重置。 在總線級(jí)別，無(wú)論存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器是否正常運(yùn)行，PCIe 都會(huì)重置連接到 PCIe 橋接器的每個(gè)設(shè)備。 UBM 框架使用戶能夠激活特定驅(qū)動(dòng)器插槽上的 PCIe 重置，僅重置需要它的驅(qū)動(dòng)器。
• 啟用時(shí)鐘模式。 隨著 PCIe 3.0 和 PCIe 4.0 提供更高的數(shù)據(jù)速率，時(shí)鐘變得更難以支持這些更高的速度。 UBM 框架可以將存儲(chǔ)設(shè)備配置為使用傳統(tǒng)的 PCIe 時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)或?qū)r(shí)鐘信號(hào)直接嵌入到高速信號(hào)中。 嵌入式時(shí)鐘信號(hào)可以顯著降低與高速信號(hào)相關(guān)的電磁干擾，從而實(shí)現(xiàn)非常靈活的時(shí)鐘。

UBM 框架使控制器能夠通過(guò)描述背板來(lái)動(dòng)態(tài)劃分 PCIe 通道，因此 U.3 x1、x2 和 x4 布線都是可能的。 它還提供了一種方法，可以將來(lái)自其他邊帶信號(hào)（例如 CLKREQ 和 WAKE）的單個(gè) PERST 信號(hào)（PCIe 復(fù)位）控制為 2×2 和 4×1 布線的多個(gè)獨(dú)立事件。 UBM 還為 2×2 和 4×1 布線提供參考時(shí)鐘 (REFCLK) 控制。 盡管 UBM 被設(shè)計(jì)為一個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的框架，但在實(shí)施 UBM 時(shí)它會(huì)釋放 U.3 的全部功能。 最終結(jié)果是一個(gè)通用的背板管理系統(tǒng)，它允許更高的可配置性和真正的系統(tǒng)靈活性。

U.3 平臺(tái)和 SSD 可用性

隨著 SFF-TA-1001 規(guī)范的批準(zhǔn)，U.3 生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展，領(lǐng)先的服務(wù)器、控制器和 SSD 供應(yīng)商開(kāi)發(fā)解決方案以推動(dòng)該技術(shù)平臺(tái)向前發(fā)展。 例如，一些一級(jí)服務(wù)器 OEM 正在實(shí)施具有三模式控制器和相關(guān)背板的服務(wù)器。 初始系統(tǒng)可用性預(yù)計(jì)將通過(guò)第 1 層和第 1 層服務(wù)器 OEM，然后是廣泛的渠道產(chǎn)品。

從控制器的角度來(lái)看，大多數(shù) RAID/HBA 供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)具有三模式功能并支持 U.3 操作的控制器。

SSD方面，鎧俠（原東芝內(nèi)存）、三星、希捷、SK海力士四大硬盤(pán)廠商成功參與首屆 U.3 Plugfest 2019 年 1001 月在新罕布什爾大學(xué)互操作性實(shí)驗(yàn)室舉行。 在這些 SSD 供應(yīng)商中，鎧俠率先在 3 年閃存峰會(huì)上展示了 SFF-TA-2019 (U.XNUMX) SSD。

總結(jié)

隨著大數(shù)據(jù)越來(lái)越大，數(shù)據(jù)越來(lái)越快，再加上人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)甚至冷數(shù)據(jù)分析等計(jì)算密集型應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更高性能的需求正在突飛猛進(jìn)。 必須預(yù)測(cè)今天的應(yīng)用程序使用、工作負(fù)載大小、性能需求和容量預(yù)期是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，但預(yù)測(cè)未來(lái)幾年的使用將挑戰(zhàn)提升到一個(gè)新的水平。

U.3 三模方法建立在 U.2 規(guī)范之上，使用相同的 SFF-8639 連接器。 這種方法將 SAS、SATA 和 NVMe 支持結(jié)合到服務(wù)器內(nèi)部的單個(gè)控制器中，由 UBM 系統(tǒng)管理，允許混合和匹配 SAS SSD/HDD、SATA SSD/HDD 和 NVMe SSD。 U.3 提供了一系列巨大的好處，包括：

• 用于存儲(chǔ)的單一背板、連接器和控制器
• 消除每個(gè)受支持協(xié)議的單獨(dú)組件
• 啟用設(shè)備之間的熱插拔（如果設(shè)備支持）
• 從一個(gè)驅(qū)動(dòng)器插槽提供 SAS/SATA/NVMe 支持
• 通過(guò)使用更少的布線、更少的走線和更少的組件來(lái)降低總體存儲(chǔ)成本
• 提供更高的存儲(chǔ)可配置性和真正的系統(tǒng)靈活性
• 高性能
• 當(dāng) U.64 驅(qū)動(dòng)器托架中的 SATA SSD 被 NVMe/PCIe Gen3 x1 SSD 取代時(shí)，驅(qū)動(dòng)器托架帶寬和 IOPS 性能提高 3%⁶
• 在 SATA = 13GB/s 吞吐量的情況下，當(dāng) U.4 驅(qū)動(dòng)器托架中的 SATA SSD 被 NVMe/PCIe Gen4 x3 SSD 取代時(shí)，提供 0.6 倍的托架容量性能提升； x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98GB/s； 和 PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76GB/s⁶
• 管理
• 通過(guò) UBM 為所有服務(wù)器存儲(chǔ)協(xié)議提供相同的管理工具
• 通用連接
• 將 SAS 和 SATA 的連接優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到 NVMe
• 消除了對(duì)特定于協(xié)議的適配器的需要
• 使 U.2-（SFF-8639 模塊）或 U.3-（SFF-TA-1001）兼容驅(qū)動(dòng)器能夠用于同一存儲(chǔ)架構(gòu)
• 通過(guò)通用背板和共享布線基礎(chǔ)設(shè)施降低系統(tǒng)成本
• 降低系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)的復(fù)雜性（消除了選擇“錯(cuò)誤的”背板和存儲(chǔ)適配器的可能性

U.3 平臺(tái)滿足了許多行業(yè)需求：降低 TCO 支出，降低存儲(chǔ)部署的復(fù)雜性，在 SATA、SAS 和 NVMe 之間提供可行的替代路徑，保持與當(dāng)前基于 U.2 NVMe 的平臺(tái)的向后兼容性，同時(shí)保護(hù)客戶的初始存儲(chǔ)投資。