今年可說是NVMe這項新I/O介面規格的應用,進入爆發式發展的起點。

NVMe的基本概念,是PCIe匯流排與全新軟體堆疊的組合,硬體方面透過PCIe來提供直連處理器的傳輸路徑,搭配更有效率的全新軟體堆疊,共同提供超低延遲與高頻寬的存取表現。

依時間來看,NVMe最初的1.0版規範誕生於2011年3月,功能比較完整的 1.1版是在2012年10月推出,而第1款NVMe SSD——三星的XS1715則問世於2013年8月,Intel也在2014年6月發表支援NVMe的PCIe SSD產品。

也就是說,NVMe協定問世距今已過了7年時間,NVMe SSD產品出現於市場也已有4、5年,目前各主要SSD供應商,旗下大都已有針對資料中心應用的NVMe SSD產品。

在系統層級的應用方面,包括Dell與Supermicro等伺服器廠商,都在2014年推出最早支援NVMe介面的伺服器產品,從2015年起,NVMe開始成為新款伺服器主要儲存I/O介面規格之一。

下一步的NVMe應用,便輪到外接式的企業級儲存設備。

NVMe儲存陣列的興起

早在2016年中時,便有E8 Storage等廠商發表採用NVMe SSD的儲存陣列產品,接著在2017年初,又有Pure Storage、Apeiron與AccelStor(捷鼎)等新創廠商,陸續推出基於NVMe SSD的全快閃儲存陣列。

關鍵的發展,則是出現在2017年下半年到2018年上半年這個時段,以NetApp發表EF570為開端,一線大廠開始進入NVMe全快閃儲存陣列領域,接下來,Dell EMC、HPE與IBM等大廠,也跟進推出基於NVMe SSD的全快閃儲存陣列產品,或宣布已備妥支援NVMe SSD。

所以從2018年下半年起,NVMe快閃儲存陣列已開始成熟,用戶已有不少產品可以選擇,涵蓋了新創廠商產與一線大廠的產品。而一線儲存大廠中,除了Hitachi Vantera還未發表NVMe相關產品規畫外,其餘都已經能提供採用NVMe SSD的快閃儲存陣列產品。

NVMe-oF外接架構進入實用化

NVMe除了作為SSD介面之外,也在2016年中,衍生出針對外接應用的NVMe over Fabrics(NVMe-oF)架構,基本概念是把NVMe的全新軟體堆疊,嫁接在既有的光纖通道(Fibre Channel,FC)、InfiniBand或RDMA乙太網路上運行,一方面可讓透過SAN儲存網路的區塊存取,也能應用NVMe協定的低延遲特性;另一方面則可讓NVMe介面透過SAN網路的嫁接,獲得擴展性與管理性。

以儲存設備後端的NVMe SSD為基礎,若再結合外接應用的NVMe-oF,搭配,便能構成整個傳輸鏈路都是運行NVMe協定的端點到端點(End-to-End)型式NVMe架構,進一步保障所有存取環節的低延遲要求。

在正式的NVMe-oF規範問世之前,新創廠商Mangstor與業界龍頭EMC就先一步在2015年底與2016年初,分別發表End-to-End NVMe型式的全快閃儲存陣列產品,Mangstor的NX系列採用基於標準硬體的軟體定義儲存路線,EMC的DSSD D5則採用專屬硬體架構路線,兩者都能提供驚人的低延遲性能,然而當時的NVMe-oF架構還不成熟、尚未標準化,難以被用戶接受,以致兩家廠商都在2017年中放棄了產品。

儘管第一波NVMe-oF產品沒有成功,但仍有其他廠商持續推動NVMe-oF儲存應用,以新出爐的NVMe-oF標準為基礎來發展產品。新一波NVMe-oF產品供應商,主要是新創廠商,包括Excelero、Kaminario與E8 Storage等。一線大廠中,則以NetApp腳步最快,在2017年下半年發表的EF 570上,提供了基於100Gb InfiniBand的NVMe-oF連接架構。隨後IBM也在2017年底展示了FlashSystem 900全快閃儲存陣列,透過40Gb InfiniBand運行NVMe-oF的連接架構。

到了2018年上半年,一線大廠支援NVMe-oF的產品更是一口氣暴增。首先是IBM在2018年初為旗下幾乎所有全快閃儲存產品線,都引進了NVMe-oF,並涵蓋了包括基於FC、RoCE或iWARP乙太網路等不同的NVMe-oF架構,接著NetApp也擴大了旗下產品線對NVMe-oF的支援,在近期發表的AFF A800上,提供基於FC的NVMe-oF選項。

其他大廠中,Dell EMC、NetApp與Pure Storage也都在2018年上半年預告,近期將會支援NVMe-oF,應該也都是從基於FC的NVMe-oF架構起步。

NVMe開始進入主流應用

我們可以看到,在過去這半年多時間以來,無論是內接式的NVMe應用,還是外接式的NVMe-oF應用,都已開始進入主流儲存產品。

其中較為單純的內接式NVMe應用,也就是搭載了NVMe SSD的快閃儲存陣列已算成熟,這也是相對最容易導入的一種NVMe應用型式,只涉及儲存控制器、背板與SSD模組,廠商與產品選擇已相當多,主要儲存大廠也都開始供應這種類型的產品。

至於外接式應用的NVMe-oF,由於用戶實際導入時,會牽涉到整個儲存網路架構的升級,相形下難度高了許多,另一方面,NVMe-oF目前規格制定還未完全成熟,仍缺少部份關鍵功能(如多重路徑等),應用上有一些局限,不過也已經有一些廠商提供相關產品,預期等到明年時,實際的應用才會真正爆發。

【開放的高速I/O介面新標準】NVMe推動儲存應用邁向超低延遲時代

早在NVMe還未成熟的2010年代初期,Fusion-io、TMS、Violin等廠商便曾推出擁有超低延遲的PCIe SSD卡與儲存陣列產品,但受制於專屬架構,而難以推廣與普及。直到NVMe出現後,才能提供一個利用推廣的開放式低延遲存取架構標準。

其實NVMe或NVMe-oF的真正價值,並不只是提供低延遲的存取架構,而在於這是一種「開放的」通用低延遲架構。

目前一般SAS SSD的平均存取延遲規格,大約在100~200μs左右;而基於FC、iSCSI SAN架構的全快閃儲存陣列,存取延遲的基本要求是低於1,000μs(即1ms),能有500μs的存取延遲,便算很好的表現。雖然這樣的存取延遲已能滿足絕大多數環境的需求,不過若想要追求更進一步的低存取延遲,SAS SSD與傳統SAN快閃儲存陣列便力有未逮,必須改用新的存取架構。

在NVMe問世之前,Fusion-io(現屬於WD/SanDisk集團)、STEC等廠商,便已推出存取延遲只有30~50μs等級的PCIe SSD介面卡產品。類似的,在外接儲存陣列領域,IBM、Violin Memory(現改稱Violin System)等廠商的專屬硬體架構全快閃儲存陣列,能提供100~200μs的超低存取延遲。不過這些廠商都是藉由各自的專屬PCIe架構,來實現遠低於一般SAS SSD與快閃儲存陣列的超低延遲表現,但同時也受制於專屬架構,存在成本高昂、產品更新緩慢的問題,難以普及與推廣,更無法推動整個快閃儲存應用領域的變革。

而NVMe與NVMe-oF的價值,便在於提供了開放、通用的低延遲架構,既能提供與前述專屬架構快閃儲存產品相同的低延遲性能,同時又能藉由通用的標準,普及到所有廠商的產品上,達到擴展應用環境、降低成本的目的。

目前市售的NVMe SSD,已能有50~90μs等級的存取延遲,不下於以前的專屬架構PCIe SSD卡;而採用End-to-End NVMe-oF架構的全快閃儲存陣列,存取延遲則能達到100~200μs的層次,也趕上專屬硬體架構全快閃儲存陣列的水準。而且,NVMe與NVMe-oF都是通用的標準,能為任何廠商所採用,進而帶動整個儲存領域,向超低延遲領域進化。

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