SSD的王者 PCIe固態(tài)硬盤的未來在哪里
范平 發(fā)表于：13年05月03日 15:50 [轉載] 中關村在線
大數據時代，存儲變得越發(fā)重要。而作為存儲陣列中的單個存儲模塊硬盤來說，其性能水平、穩(wěn)定性和I/O和組建陣列的靈活擴建方面也變得尤為重要。隨著固態(tài)硬盤在市場上的涌入，傳統(tǒng)機械硬盤在組建陣列帶來的性能提升方面越來越顯得力不從心。
固態(tài)硬盤一開始以高成本“盛氣凌人”，但由于采用了SATA/SAS等市場上主流的硬盤接口，使得在企業(yè)市場上的普及速度令人驚訝。然而，更值得驚訝的是，基于SATA接口的固態(tài)硬盤逐漸邁向了PCI-Express插槽的固態(tài)硬盤發(fā)展。得益于板載PCI-E接口與CPU、內存數據的通訊和傳輸比傳統(tǒng)的SATA/SAS接口高很多，使得PCI-E接口固態(tài)硬盤在未來數據中心和終端平臺上面臨廣闊的發(fā)展機遇。
包括PCI-E固態(tài)硬盤在內的固態(tài)硬盤近幾年發(fā)展迅猛。其中2011年泰國洪災的爆發(fā)使得固態(tài)硬盤如獲新機，相比傳統(tǒng)硬盤產量不足所帶來的價格上漲，固態(tài)硬盤的成本劣勢也就顯得不足為奇。
固態(tài)硬盤出貨量增長(數據來源：Gartner)
其高達64%的復合年均增長率，預示著固態(tài)硬盤將迎來爆發(fā)性增長。從固態(tài)硬盤接口方面來看，未來幾年PCI-Express接口固態(tài)硬盤增速將超過SAS，SATA接口固態(tài)硬盤所占比例則逐漸萎縮。
企業(yè)級固態(tài)硬盤接口發(fā)展趨勢(數據來源：Forward Insight)
HBA/RAID控制器帶來的SATA SSD IOPS擴展性和延遲
然而，對于SATA和SAS等傳統(tǒng)硬盤接口的固態(tài)硬盤來說，由于HBA和RAID控制器轉接主機與存儲設備容易產生損耗，隨著固態(tài)硬盤數量的增加，其單個固態(tài)硬盤的延遲開銷和性能問題會變得極為突出。
PCI-Express固態(tài)硬盤相比其他接口的固態(tài)盤，擁有更為高級的連接接口和成熟的內存管理技術。一方面，它采用了可靠的協(xié)議體系架構，支持設備層面的協(xié)議錯誤檢測、校正、報告和熱插拔/熱替換。支持可擴展帶寬/頻率，擁有先進的功耗管理，同時還支持虛擬通道可 提供更好的服務質量。
PCI-E固態(tài)硬盤還擁有先進的地址映射系統(tǒng)，支持垃圾回收和耐久性管理，可提供超高的服務穩(wěn)定性。相比其他接口SSD，在數據帶寬、延遲、可擴展和可靠性、總體擁有成本方面都有顯著優(yōu)勢。
對于未來PCI-E固態(tài)硬盤的市場機會，我們可以從兩大方面進行探討——數據中心以及客戶端平臺。在數據中心領域，PCI-E固態(tài)硬盤可優(yōu)化總體擁有成本，提升固態(tài)硬盤性能密度。
PCI-E固態(tài)硬盤將更多應用于事務處理
基于PCI-E接口的固態(tài)硬盤在事務處理方面將優(yōu)于傳統(tǒng)的SAN方案。一方面，PCI-E固態(tài)硬盤省去了光纖通道，通過板卡內置高效傳輸 通道直接實現高性能數據傳輸;另一方面，在執(zhí)行應用負載并存儲數據庫平臺上，PCI-E固態(tài)硬盤可實現更低延遲，而且成本也更低。
PCI-E固態(tài)硬盤可應用于服務器端緩存
另一方面，數據中心的服務器端緩存也將是PCI-E固態(tài)硬盤大展身手的舞臺。得益于其性能遠超SAS/SATA固態(tài)硬盤，減少了額外的光纖或者以太網傳輸，使得數據傳輸更為直接和高效。PCI-E固態(tài)硬盤大規(guī)模部署，將會在單盤托架、采用通用背部接口(兼容2.5英寸PCI-E和SATA/SAS固態(tài)盤)，實現混插和RAS(可靠性、可用性、可維護性)。
SFF-8639接口
2.5英寸的PCI-E固態(tài)硬盤也將采用熱插拔固態(tài)硬盤外形，對于可維護性來說有顯著提升。另外，SFF-8639接口標準涵蓋了PCIe SATA和SAS。圖中紅色的部分就是在傳統(tǒng)SAS連接器基礎上增加的PCI-E引腳——包括通道0、通道3-1和邊帶，從而實現了雙端口SAS和 PCI-E共用一個連接器，兼容不同協(xié)議的SSD和HDD。
固態(tài)硬盤平臺設計帶來性能密度提升
PCI-E固態(tài)硬盤存儲無需HBA協(xié)議轉換，可幫助提升性能降低成本�；谶@種接口的固態(tài)硬盤，其托架也無需散熱片設計，能夠在更小的制程下實現 NAND RAS管理，對于高密度2.5英寸的PCI-E固態(tài)硬盤來說，其平臺的質量和設計可根據應用而有所差異，但整體來說未來其性能密度是不斷在提升的。
隨著客戶端不斷輕巧、便捷，人們對固態(tài)硬盤的體積也要求越來越高，更小、更薄、更敏捷的客戶端對于PCI-E固態(tài)硬盤的訴求也變得越來越迫切。從原來的2.5英寸、1.8英寸再到mSATA接口，通過迷你版PCI-E界面?zhèn)鬏斝盘�，在確保同樣的性能條件下滿足更輕盈的客戶端需求。
不同尺寸固態(tài)硬盤
另外，SATA Express 接口也有助于促進SATA向PCI-E插口的演進。這種接口包含2個通道，可實現在SATA和PCI-E之間切換。
SATA Express接口促成PCI-E固態(tài)硬盤廣泛部署
與此同時，還出現了一種4.2卡，這種規(guī)格的固態(tài)盤尺寸設計可為緩存設備或者固態(tài)硬盤進行優(yōu)化，包括對一系列模塊化長度和連接鍵的優(yōu)化，以實現ATA、 2x PCI-Express。這種M.2指定了兩種固態(tài)硬盤主機接口，包括插口2和插口3.前者包括SATA或者2x PCI Express通過B鍵鎖使用固態(tài)硬盤、緩存和WWAN以及其他模塊;后者提供4個PCI-Express，最高可達4GB/s，通過“M”鍵鎖適用于高性能固態(tài)硬盤或者緩存。帶有“B”和“M”鍵鎖的PCI=E固態(tài)硬盤可插入查看2,3，但只需要使用插口3個兩個PCI-E通道。
PCI-E固態(tài)硬盤帶有B/M鍵鎖
面向客戶端設計的PCI-E固態(tài)硬盤還具備有出色的固態(tài)硬盤功耗管理水平，在DEVSLP(Device Sleep)下Windows 8聯網待機功耗不足5mW，通過帶外信號控制DEVSLP，并基于OS、驅動和BIOS的主機優(yōu)化，可以全面優(yōu)化在客戶端PCI-Express固態(tài)硬盤的功耗設計。
DEVSLP電路框架圖
NVMe實現高性能、高可擴展和高效率的平衡
除了M.2、SATA Express之外還有一種NVM Express(NVMe)。NVMe是一種為企業(yè)級、客戶端系統(tǒng)所用的PCI-E固態(tài)硬盤而專門設立的高性能、高擴展主機控制接口。它將廣泛采用PCIe 固態(tài)硬盤，采用能夠兼容大多數操作系統(tǒng)的標準驅動程序，并為固態(tài)硬盤設置標準一致的功能，OEM將不必再為單個SSD設置單獨的驅動程序�；谶@種接口的NVMe將不會受到OS隊列、IO調度、SISC層的影響，有利于充分發(fā)揮現有和將來的客戶端固態(tài)硬盤性能。
