借用高頻寬、低延遲的PCIe匯流排作為儲存傳輸通道使用,已經不是什麼新概念,重點在於如何使用PCIe。目前的PCIe儲存裝置雖然已相當多,卻處於各廠商自行其是的狀況,除了使用PCIe介面這一點相同外,從裝置的外型尺寸、驅動程式,到使用的PCIe規格都不相同(從PCIe 1.1的×4或×8,到PCIe 2.0的×4、×8、×16,甚至PCIe 3.0都有),因此PCIe儲存裝置的安裝,遠不像SAS或SATA硬碟那般方便,用戶必須視伺服器規格與作業平臺類型,仔細選擇合適的產品。

為解決缺乏統一標準所衍生的亂象,近來出現了一些共通的PCIe儲存標準。

NVMe:支援SSD存取最佳化
NVMe的全名是Non-Volatile Memory Express,顧名思義就知道這是專門為了非揮發性記憶體儲存裝置,也就是SSD,而發展的規範。

NVMe由Intel主導,並得到Cisco、Dell、EMC、NetApp與Oracle等眾多大廠的支持與參與,目的是統一PCIe儲存裝置的標準,定義了SSD控制器與作業系統之間的暫存器介面、指令集與功能集,藉由共通、並針對SSD最佳化的介面標準,來促進PCIe SSD的發展與推廣,讓未來的PCIe儲存裝置能像SAS/SATA硬碟般隨插即用,只要符合NVMe標準,就能方便地安裝到所有主要平臺上使用。

除了用於伺服器端外,NVMe也能用在SAN儲存設備之中,取代SAN儲存設備內部連接磁碟裝置用的SAS介面,以便為後端的SSD提供最佳化的效能。

目前NVMe的發展仍處於起步階段,NVMe的應用牽涉到SSD的Flash記憶體控制器、SSD產品與作業系統等環節。目前Intel與其他NVMe參與廠商已提供了Windows、Linux、VMware、Solaris、FreeBSD、UEFI等平臺的NVMe參考驅動程式,最終目標是讓所有作業系統都原生內含NVMe驅動程式,如去年剛推出的Windows 8.1便能原生支援NVMe。

在SSD使用的Flash記憶體控制器方面,晶片組廠商IDT在2012年8月率先發表首款支援NVMe的Flash控制器,LSI收購SandForce後,亦在2013年9月展示了支援NVMe的Flash控制器。

不過在SSD產品方面,目前支援NVMe的SSD還非常少,只有三星剛在半年前發表了首款2.5吋磁碟型式的NVMe SSD——XS175。

SATA介面的發展,到了SATA 3.0便面臨瓶頸,一方面,6Gb/s的頻寬已無法滿足SSD的需要,以致成了制約SSD發展的瓶頸。但若採取類似SAS介面升級到12Gb/s的模式,又需在升級成本方面付出許多代價,且時間上也緩不濟急。

於是SATA-IO組織選擇了不同的升級路線,從SATA 3.2/SATA Express起,SATA將改為透過嫁接PCIe 3.0的方式,獲得大幅提高的傳輸頻寬,並利用PCIe 3.0更高效率的編碼,來大幅縮減overhead,進一步提高資料傳輸效率。

SATA Express:SATA結合PCIe
固態儲存的發展,也給SATA介面帶來很大的壓力,顯然的,既有的SAS 3.0的6Gb/s頻寬已不能滿足新一代SSD的需要,亟需拓展SATA介面的頻寬規格。

類似SAS的方式從6Gb擴展為12Gb雖然是一個方向,不過有鑑於SAS的發展經驗,升級到12Gb必須付出許多代價,牽涉到編碼方式、控制器設計到傳輸線材等環節,對於以低成本為訴求的SATA來說,類似的升級模式並不適用,於是SATA-IO組織選擇了另一條路線—嫁接使用PCIe匯流排,來提高SATA的傳輸頻寬,這就促成SATA Express的出現。

SATA Express有使用PCIe 3.0×1與×2的兩種版本,分別可提供8Gb/s與16Gb/s的頻寬,遠高於現有SATA 3.0的6Gb/s,而且還能向下相容既有的SATA規格,其連接接頭的腳位與型式能相容既有的SATA接頭,也能相容新一代的SFF-8639多功能接頭。

SATA-IO組織在2013年8月發表涵蓋SATA Express規格的SATA 3.2,Intel原本打算在2014年配合Broadwell處理器一同問世的9系列晶片組上,納入SATA Express,但目前Intel支援SATA Express的計畫已經延後,預定今年第2季推出的9系列晶片組,將不會有SATA Express。

即使沒有Intel的原生支援,仍可透過第三方晶片組的方式支援SATA Express,如華碩剛在2013年底展示了首款支援SATA Express的Z87 Deluxe / SATA Express主機板工程樣本,可提供2組SATA Express埠,雖然目前還沒有任何SATA Express磁碟裝置可用,但華碩提供了可讓SATA Express轉接PCIe SSD的轉接卡。

依循這種藉助第三方晶片組模式,支援SATA Express的PC平臺應該會從今年陸續問世,不過短期內恐怕還是不會有SATA Express的SSD可用,整個SATA Express環境的成熟,可能得等到2015年以後。


PCIe外接應用也邁向實用化

如前所述,利用PCIe做為儲存傳輸通道,已成了當前解決主機I/O瓶頸的一個主流趨勢,前面介紹的NVMe與SATA Express都是屬於PCIe的內接儲存應用,一個進一步的想法便是:何不乾脆把PCIe轉為外接應用,豈不是能獲得一種頻寬遠大於現有介面,而且架構更簡單、成本也更低的外接儲存傳輸介面?

事實上,已有廠商把PCIe外接應用付諸實行,如我們以前測試過的世仰科技(Accusys)的ExaSAN便是這種PCIe外接介面產品(如圖)。透過世仰的專屬介面卡可將PCIe 1.1或2.0轉為外接使用,並利用類似InfinBand CX4的連接頭連接外接磁碟陣列,除了DAS直連外,世仰還提供了PCIe外接用交換器,可提供SAN模式使用,讓用戶建立小型的PCIe SAN環境。


PCIe儲存應用帶動連接埠規格新進化
伴隨著各式各樣新儲存介面的出現,也讓連接埠的配置成為一個難題,如果要為每種介面各自配置獨立的連接埠,顯然將會帶來很高的複雜性與成本,針對這個問題,負責制定連接器規格的SFF委員會,提出了一種可通用於多種傳輸介面的SFF-8639連接埠。

SFF-8639是SAS介面使用的SFF-8482/8630/8680連接埠的延伸發展,眾所周知,SAS埠原本就具有相容SATA的能力,在這個基礎上,再加上PCIe的相關信號傳輸線路後,就成了SFF-8639。

SFF-8639可通用於5種傳輸介面:
●單埠型式的現有SATA介面。
● 雙埠型式的SATA Express介面。
● 雙埠型式的SAS介面。
● 多線合一(Multi-Link)SAS介面。
● 最多4 Lane的PCIe介面。

所以在主機板、介面卡或磁碟陣列控制器背板上,只要使用1種SFF-8639連接埠,就能適用於不同介面的磁碟裝置,從而大幅簡化連接埠配置,並提高磁碟配置彈性,可視需要同時安裝多種磁碟裝置。

目前已有美光(Micron)等廠商,推出了採用SFF-8639連接埠的2.5吋磁碟型式PCIe SSD產品,如美光在2012年時發表的p320h,便是利用SFF-8639中的PCIe線路,提供PCIe 2.0 ×4的高速傳輸。另外前面提過的首款NVMe SSD—三星的XS175,也是採用SFF-8639連接埠。藉由這種可兼容多種傳輸介面規格的特性,SFF-8639在未來可望會得到普遍的應用。


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