
无论PC、企业服务器还是数据中心,我们在选择固态硬盘的时候都要面临各种各样接口的问题。SATA与SAS之间有什么关系,PCIe究竟有几个版本,U.2、U.3区别在哪里?这一次,不妨让我们花点时间来了解一下。
SATA与SAS
简单的说SAS相当于SATA的完全进化版,这项由国际信息技术标准委员会(INCITS)提出与维护的标准早于固态硬盘(SSD)大规模普及之前,最早为机械硬盘(HDD)这样无法跟上CPU速度的存储器设计,并一直延续至今。因此支持SAS和SATA现有标准,也是SSD能够得到快速普及的原因。
SAS在SATA的基础上更多考虑到了企业级用途,包括更健壮的串口协议,支持多主机,支持端到端数据整合,支持双端口,支持高度并发和聚合等等。并且经过协议升级和修改,SAS也从最初的SAS-1 3.0 Gbps提升至现行的SAS-4 22.5 Gbps标准。目前SAS-5在规划中,预计可以达到45 Gbps。

康庄大道的PCIe+ NVMe
基于HDD设计的SATA接口和AHCI协议显然不能满足SSD的高速发展。事实上NAND闪存技术是如今还在坚守遵循摩尔定律的技术之一,无论容量和速度都保持着飞速发展。在1992年,英特尔提出了PCI总线协议,并组成了PCI-SIG企业联盟开始推广PCI生态,并在2002年推出如今被广泛采用的PCIe标准。

得益于PCIe总线协议的灵活性、通用性、经济性和可扩展性表现都相当优秀,这套协议后来几乎完全替代了其他竞争架构,无论是大规模数据中心、企业级服务器还是人们身边的终端、消费级产品,PCIe已经无处不在。如果你有关注近十年的x86主板发展,会发现所有的设计几乎都是围绕PCIe总线的扩展展开。
如同SATA接口搭配AHCI协议,固态硬盘想要发挥出越来越快的读写性能和高吞吐量,就需要量身定制一套能够与PCIe接口契合的协议,在2011年NVMe(Non-Volatile Memory Express)协议,即非易失性存储器标准协议,诞生了。

NVMe可以充分利用PCIe通道接口的低延迟和并行性,跳出了AHCI时代限制控制器通过PCH与CPU通讯的桎梏,更确切的说,NVMe允许SSD直接与CPU沟通,解放SSD的速率,让SSD在PCIe的康庄大道上飞速狂奔。如今PCIe已经进入PCIe 4.0和PCIe 5.0时代,PCIe 6.0标准制定也将蓄势待发。
PCIe接口可以有多种形式,其中最常见的就是显卡插在主板上的扩展卡(AIC,add in card)形式,以及在PC主板上M.2接口形式。如果与2.5英寸SSD组合,在服务器端最常见的就是U.2和U.3形式,这样设计的好处是继承了企业级服务器机箱的规格,无需对机箱设计做出太大的调整。而后续为了适应企业、数据中心高密度、易更换等诸多需求,行业也已经开始试水更具前瞻性的EDSFF标准,常见的规格包括E3.S、E1.S等,铠侠CD7-R系列(E3.S)和铠侠XD7P系列(E1.S)就是这样的产品。

通向未来的NVMe-oF
从2017年开始,服务器应用领域已经开始向人工智能、机器学习转型,新的工作负载由一台运行多进程的服务器,变成多个服务器、多个处理器共同协作完成。特别是随着云计算、人工智能、虚拟现实、自动驾驶对协作算力需求增多,服务器往往需要更大的I/O互联带宽以容纳更多的加速器、TPU协作,并利用更高速的网络协议支持规模经济,同时还要确保数据链路上有更宽的通道和更小的延迟。

这时候使用单一的PCIe接口作为解决方案就显得相形见绌了。以16条通道的PCIe 4.0为例,其带宽为有64GB/s,而同一时期的服务器NVIDIA GPU互联所利用NVLink协议,可以轻松达到300GB/s。
因此NVMe协议也进入了转型阶段,利用成熟的硅光技术产品的400Gb以太网链路,搭配带宽更大,并占用通道数更少的PCIe,NVMe-oF(NVMe over Fabric)推出顺理成章。NVMe-oF继承了NVMe的所有优点,包括轻量级和高效的命令集、多核感知和协议并行性,并增强了混合云、多云部署的灵活性,扩展范围远远超出了目前搭载SSD的服务器,铠侠也已经对NVMe-oF这项创新技术提供了支持。

这意味着,NVMe-oF允许数据中心可以扩展无数的存储空间,并将计算与存储完全分开,通过网络调配NVMe SSD池和服务器池,按需提供计算和存储,让计算和存储任意组合,具备可伸缩性和可共享性。

探索存储前沿
从最初的SATA + AHCI的组合,到直通CPU的PCIe + NVMe,再到具有前沿优势的NVMe-oF,SSD接口技术发展也正在不断满足新兴的应用要求,与不断提升的NAND闪存技术一起,构成了一套高效、灵活的存储解决方案。
作为NAND闪存技术的发明者,以及拥有全球最大的NAND闪存工厂之一的铠侠,一直保持着对前沿技术和先进产品的研发,推进高效存储方案不断前行。在文章最后,不妨让我们通过一段视频,一起来了解从SAS到PCIe,再到NVMe-oF的发展历程。
· PCIe是PCI-SIG的注册商标。
· NVMe是NVM Express, Inc.在美国和其他国家的注册或未注册商标。
· 其他公司名称、产品名称和服务名称可能是其各自公司的商标。

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