隨著TLC、QLC、3D堆疊等新式NAND Flash記憶體技術的誕生,SSD的儲存密度便急速增長,外型規格(Form Factor)逐漸成為制約SSD儲存密度的一個因素。

SSD剛問世時,為了便於應用在既有的伺服器與儲存設備上,大多沿用了既有的1.8吋、2.5吋與3.5吋硬碟外型規格,但兩種儲存媒體的本質不同,外型規格的影響也有異。

硬碟的2.5吋與3.5吋外型尺寸規格,是基於圓形的硬碟碟片直徑而設定,但SSD沒有碟片與機械裝置,純粹是由晶片與電路板所構成,理論上可以製成各式各樣的形狀,以配合不同的安裝環境,而且只要提供更多的電路板面積,就能布置更多記憶體晶片,提高SSD可用容量。因此沿用2.5吋或3.5吋硬碟外型規格的做法,雖然便於讓SSD進入既有的IT環境,卻也限制了SSD的使用彈性與容量提升。為了充份發揮SSD的特性,一直以來有廠商嘗試擺脫硬碟外型規格給SSD帶來的桎梏。

在消費端SSD方面,從7、8年前開始,以Apple為首的廠商便捨棄了常見的1.8吋與2.5吋規格,為輕薄型筆記型電腦與平板電腦,引進專門設計的長條型SSD模組卡,後來這條路線演變為標準化的mSATA與M.2規格SSD模組卡,成為行動運算裝置的標準內接式SSD規格。

在企業端SSD方面,早在10年以前,便有TMS與Violin Memory等廠商,捨棄標準的2.5吋規格不用,依自身構想打造專門針對快閃記憶體最佳化的專屬SSD模組,包括專屬的PCIe傳輸介面,與長條狀的外型規格,以獲得更大的儲存空間與效能,後來併購TMS的IBM,以及HDS等大廠,以及Skyera等新創廠商,都延續了這條專屬規格SSD模組的路線。然而這些SSD雖然透過專屬規格,擺脫了2.5吋規格限制,獲得更大的容量與效能,但專屬規格也限制了這類SSD的應用範圍,各廠商自行其是,遲遲沒有出現通用的標準化規格。

到了去年的Flash Memory Summit 2017大會中,開始有廠商聯盟試圖推動新的尺型伺服器SSD規格,為企業端的伺服器與儲存設備應用,提供儲存密度更高,專門針對快閃記憶體特性最佳化的新一代企業級SDD外型規格,包括Intel主導的EDSFF,以及三星主導的NF1兩種。

Intel的EDSFF

EDSFF是企業與資料中心SSD外形規格(Enterprise and Datacenter SSD Form Factor)的縮寫,由Intel主導,成員包括Dell EMC、HPE、Facebook、Lenovo與三星等大廠。

EDSFF 在2017年8月發布時,一開始是提供稱作Ruler的長尺版本SSD規格,後來在2018年2月時,另外推出長度只有前者1/3的短尺版本SSD規格,形成「1U長型」與「1U短型」兩種版本。1U是指兩種SSD豎起來時的高度符合1U規格(1.75吋/44.5mm),能透過熱抽換磁碟槽,以豎立方式安裝在1U機架式機箱正面。

兩種ESDFF均採用基於PCIe 3.1×4的NVMe介面,連接頭規格是新的SFF-TA-1002。1U長型的Ruler規格,長度較1U短型長了近3倍(325mm對111mm),高度也略高(38.6mm對31.5mm),可容納的晶片數量差了4倍(48對12),不過也占用更大的機箱空間。

目前Intel已在2018年2月發表的DC P4500系列SSD中,提供1U長型的Ruler規格款式,有4TB與8TB兩種容量。至於1U短型規格,目前仍只見到原型,尚未實際上市。

在搭配EDSFF的伺服器方面,Supermicro已推出搭配1U長型Ruler SSD的1U JBOD儲存櫃,以及1U二路伺服器產品。營邦(AIC)在今年的Computex會場,也展出搭配1U短型EDSFF SSD的伺服器原型。

AIC攤位展出的Intel的EDSFF規格 SSD模組,包括前方較短的「1U短型」與後方較長的「1U長型」兩種

採用EDSFF 1U長型SSD規格的Supermicro SSG-136R-NR32JBF JBOD儲存櫃,1U機箱內可容納32條這種稱為Ruler的SSD模組。

三星的NF1 SSD

三星除了參與Intel的EDSFF聯盟外,自身也發展了類似的尺型SSD規格,在2017年8月發表稱為次世代小尺寸規格(Next Generation Small Form Factor,NGSFF)的規格提案,後來有時也被稱為M.3,目前則定名為NF1。

NF1的尺寸與Intel EDSFF的1U短型規格十分相近,但傳輸介面採用基於PCIe 3.0×4的NVMe,連接頭為M.2(pin腳信號規格有所更動),更像是一種尺寸較大的M.2 SSD。

三星已發表採用NF1規格的SSD產品PM983 NF1,有3.84TB、7.68TB、15.36TB等3種容量可選,威剛也曾展出NF1 SSD原型產品。在搭配的伺服器方面,Supermicro與AIC也都推出了採用NF1規格的1U伺服器產品。

特別的是,除了搭配專門設計的新伺服器機箱外,三星也提出了透過轉接,讓現有伺服器使用NF1 SSD的方式,包括3種轉接方式——轉接為半高PCIe介面卡(容納1張NF1 SSD),轉接為全高PCIe介面卡(容納2張NF1 SSD),以及轉接到2.5吋U2介面(容納2張NF1 SSD)。

Supermicro攤位展出的三星NF1 SSD模組,看起來就像是放大版的M.2 SSD。

搭配NF1 SSD模組的Supermicro SSG-1029P-NMR36L伺服器,1U機箱內可容納36組NF1 SSD。

未來發展有待觀察

無論Intel EDSFF,還是三星NF1,都是以提高伺服器SSD儲存密度為訴求。以Supermicro與AIC搭配這兩種SSD的伺服器為例,可在1U伺服器內容納36臺三星NF1或Intel EDSFF短版SSD,或是32臺Intel EDSFF長版Ruler SSD。以每臺SSD容量8TB與16TB為基準,等於可在1U空間提供288與576TB容量。

若換成標準的2.5吋規格SSD,1U空間最多只能容納10~12臺。也就是說,EDSFF與NF1可讓伺服器儲存密度提高3倍,豎立式安裝方式也有較佳散熱效率,但又保有與傳統伺服器相同的機箱正面抽換磁碟槽便利性。

不過EDSFF與NF1這兩種新式SSD規格的推廣,還面臨幾個問題。

首先,目前普遍通行的伺服器機箱必須重新設計,修改與更換前端磁碟模組與背板,才能搭配EDSFF與NF1規格SSD。

其次,標準的2.5吋與3.5吋規格SSD,還有很大的容量發展潛力,依靠快閃記憶體晶片技術的進步,也能顯著提高容量,進而提高伺服器儲存密度,而不需改用全新的EDSFF與NF1規格SSD,以致連帶必須更換新伺服器機箱。30TB容量的2.5吋SSD與100TB容量的3.5吋SSD產品,都已在今年初上市,可在1U空間提供360TB與400TB容量,並不比EDSFF與NF1遜色多少。

而且2.5吋規格SSD的電路板面積,比起短版EDSFF或NF1還高了2倍,單一SSD模組上可容納更多記憶體晶片,一定程度抵銷了後者外型尺寸小、空間密度較高的優勢。

第三,透過新規格SSD提高儲存密度後,也為伺服器的PCIe架構設計帶來新的挑戰。在單一機箱內要容納32或36臺EDSFF與NF1 SSD,將會占用多達128與144條PCIe lane,伺服器主機板也需要相應的調整才能搭配。

最後,EDSFF或NF1兩種規格彼此定位重疊,尤其是短版EDSFF與NF1之間更是非常類似,最終應該只會有其中一種留存下來,使得這類新規格SSD的未來發展,帶有不確定性。

就目前來看,三星NF1 SSD的容量規格較高,連接頭沿用M.2規格,有助於降低導入成本;不過Intel為EDSFF設定了更大的發展餘裕,其SFF-TA-1002連接頭可從目前使用的PCIe 3.1×4,提高到×8、×16,甚至有使用PCIe 4.0、PCIe 5.0規格的潛力,另外,EDSFF聯盟的支持者也比較多。


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