PCI-E NVMd

NVMe推动PCIe与闪存紧密结合当闪存时代到来，数据中心的存储会是以什么形式存在呢？磁盘时代毫无疑问，磁盘阵列是数据中心存储的主要组成部分，在磁盘阵列的组织下，大量磁盘可以并发工作，满足应用对存储性能的需求。

但是闪存不一样，闪存代表的是更简单、高效、高性能的存储。

要达到这个效果，接口和接口走的协议是非常重要的一环，SCSI/SAS的一套体系显然是无法充分发挥闪存性能的，可以预见的是PCIe/NVMe是闪存的未来。

本文也将围绕PCIe/NVMe来谈下闪存的未来。

针对磁盘可以说SAS是一个非常优良的接口，在其设计之初就将数据怎样写进磁盘进行了全面的考虑，通过HBA卡组织多块硬盘方便的组织在一起形成一个完整的存储池，另一方面SAS的接口带宽已经发展到了12Gb/s，而且当下随着光纤SAS技术的发展，其在存储阵列中的应用也越来越多，可以说SAS 是磁盘完美搭档。

但是SAS的体系架过于复杂，对于追求高性能而且可靠性比磁盘高的多的闪存来说SAS自然并不是一个好选择，这就催生了固态硬盘接口从SAS/SATA向PCIe的转换，但是出现的新问题是物理接口转换到PCIe之后，那么数据传输协议使用什么呢？LSI之前的做法是在PCIe闪存卡中加入一个SAS控制器进行转接，这种做法将闪存产品的形态快速的从固态硬盘转向了PCIe闪存卡，但是从根本上讲这依然是一个SAS固态硬盘。

PCIe闪存卡需要的是一个新的高效、简洁而且能发挥其高性能的协议标准，之前Fusion-io为代表的闪存初创公司也做出了努力，但是其标准并不开放，所以并没有受到广泛的重视，就在这样一个背景下NVMe就在这种背景下被设计出来，简单说来NVMe规范了PCIe闪存卡存储数据的协议标准，使得PCIe成为了更优秀的硬盘接口。

从上图可以直观的看出从应用到闪存盘的过程中，到NVMe驱动器的路径要比到SAS驱动器的路径短，简化的路径缩短了数据传输的中间环节。

NVMe 相对于SCSI/SAS的延迟上的降低是非常明显的。

上图直观的展示了PCIe/NVMe的优势，在4K随机读/写负载中，PCIe/NVMe带来6倍于6Gb/秒SATA的吞吐量提升。

在队列深度设为128时，4K全读负载的IOPS将近50万。

而这对于SAS/SATA都是无法做到的。

所以未来主机端PCIe闪存卡将是一个Tie0层存储的最佳选择。

如果PCIe如此优秀，而且NVMe也在帮助PCIe实现闪存的性能，那么这样的产品怎样与SAN结合，或者说怎样实现存储资源的共享呢？在IDF2012上，关于这样讨论就已经开始了。

上图展示了一个模型，简单的说PCIe/NVMe的闪存卡连接到PCIe交换背板上，数据经封装后通过FCoE传至服务器。

由于PCIe本身设计是用于机箱内部短距离互连的，那么线缆做的过长时候其信号完整性难以保证，所以包括PCIe 交换机在内的一系列概念被相继提出(当然，PCIe交换机这个概念听起来非常新鲜，闪存的发展非常大程度上推动了这项技术的发展，事实上PMC收购的IDT 已经在PCIe交换芯片上有了很大的突破)。

(相关阅读：《PCIe外部连接：交换机、传输距离和存储应用》)现在主要的NVMe联盟成员列表开放是PCIe/NVMe能够走向成功的关键，而且相比优秀的标准来说，开放的开发环境更是推动PCIe/NVMe走向成功的关键（这点从Fusion-io从辉煌走向被收购的事实可以看出，Fusion-io无疑是闪存技术的大拿，产品质量非常高，但是其产品和技术走的路线走的过于封闭，在闪存卡市场刚刚兴起时Fusion-io无疑风光无限，但是随着闪存技术的发展和NVMe发展，Fusion-io 就失去了优势）。

从上图中我们看到了NVMe联盟中有芯片厂商PMC、有阵列厂商EMC、NetApp、Dell这样的传统存储阵列厂商、也有LSI、美光、SanDisk 这样的PCIe闪存卡厂商。

未来PCIe/NVMe也将需要一批这样的厂商来建立起自己的一个生态系统，现在看来大大小小的PCIe闪存卡厂商扮演着提供基本存储单元的角色，另一方面还有IDT这样的厂商，他们将PCIe/NVMe闪存卡的应用范围进一步拓宽。

值得注意的是英特尔，近日英特尔发布了三款新的PCIe/NVMe闪存卡新品，其闪存战略也算向前迈出了一步，但是笔者英特尔绝不仅是一个闪存卡厂商的角色，英特尔最擅长的就是推动一个标准走向成熟或者说推动一个完善生态圈建设，所以未来PCIe/NVMe从协议标准化到产品再到解决方案以及最终的市场建设，英特尔都将是一个重要的角色。

现在看来PCIe/NVMe为闪存卡的发展指明了一个方向，而且发展前景很光明，但是PCIe/NVMe闪存仍处于一个发展的初级阶段，大部分时候其作用仍然限制在加速关键应用的响应速度上。

而资源的共享、大量的闪存卡资源管理等环节都有很多问题急需解决。

正如磁盘时代，需要磁盘厂商、各种板卡厂商、存储阵列厂商加上数据保护等软件厂商的共同努力才能建立起一个完整的生态。

返回比特网首页>>大数据时代迅即降临，传统的旋转式磁盘在性能、容量等多方面捉襟见肘。

闪存在IOPS、延迟及带宽三大性能指标上的绝对优势使之倍受青睐，迅速取代硬盘成为不可或缺的存储介质。

2013年是闪存规模化进入数据中心的一年，因而成为载入史册的“闪存元年”。

过去一年的飞速发展中，闪存在数据中心中担任的角色越来越多样化，从服务器中的PCIe闪存卡、存储阵列中最适合存放热数据的全闪存阵列、适合分层存储的混合阵列，再到RAID卡中的掉电保护闪存模块等等不一而足。

展望未来，随着闪存产品接纳度的普遍提升，闪存厂商之间的竞争也日趋白热化。

同时，日益复杂多样的应用也在驱动着对不同闪存产品的需求。

一方面，闪存正在重新定义着存储技术；另一方面，2014年对许多闪存厂家而言也将意味着生死存亡，因此有“闪存生存年”之誉。

在新一轮闪存逐鹿中，谁将引领潮流并能最终胜出为王？传统的存储架构里，由于硬盘访问速度的局限，以往通用的SATA和SAS 接口完全能够满足硬盘的带宽需求，而面对闪存速度上百倍的提升，接口的带宽就成为了I/O的最大瓶颈。

可以说，闪存的优异性能一举将存储的瓶颈从介质转移到了接口。

Fusion-io的成功就直接源于其开发的专利PCIe闪存卡，可以加入到服务器中进而实现对应用的加速，并达到微秒级的低访问延迟。

SATA/SAS则无论如何无法达到这个水平。

因此，闪存时代，接口规范的重大变革势所难免。

针对PCIe接口制定的NVMe标准由此应运而生。

该标准由包括IDT、Dell、Intel、EMC、NetApp、Oracle以及Cisco在内的13家发起企业主导，并由80余家业界领军公司合作开发。

NVM Express是一个针对使用PCI Express SSD的企业和普通客户端系统开发的可扩展的主机控制芯片接口标准。

NVMe 1.0标准已于三年前发布，并不断推陈出新。

该标准针对PCIe SSD定义了最优化的寄存器接口、指令集和功能集，并提供可扩展接口以实现SSD 技术现在和将来的性能潜力。

这让原始设备制造商无需标准化多个SSD驱动器，从而加速 PCIe SSD 的推广使用。

该组织的工作不仅确保了整个NVMe生态圈的全面协同发展，NVMe 开放标准还打破了以往PCIe闪存厂家采用垄断私有接口造成的产业局限，使客户可从开放的产业生态链中选购所需，对产业规模的提升和用户成本优化具有划时代意义。

PMC去年并购的IDT公司作为NVMe标准组织的创始成员，自始至终致力于推动NVMe标准的制定与研发。

IDT公司于2011年即推出了全球首款提供PCIe Gen3内部支持的NVMe企业级闪存控制器，帮助存储和服务器OEM克服传统基于SAS/SATA的SSD设计所固有的延迟和吞吐量瓶颈，大幅提升性能。

基于PCIe的SSD加上NVMe主机控制接口完美地解决了接口瓶颈问题。

PMC 公司日前推出的一系列完全遵从NVMe的PCIe闪存控制器实现了业界最优的IOPS，通过去除传统的存储架构，显着降低延迟、功耗和成本。

除了完全支持 PCIe Gen3 主机接口以实现最大化吞吐量，PMC的NVMe闪存控制器还提供了编程接口，帮助客户凭借利用PMC参考固件的自制固件来区分其解决方案。

此外，还可实现最大化随机存储I/O 性能――这是受多核CPU设计和虚拟化推动的一个关键要求。

该设计支持企业级功能，并支持包括高级加密、数据完整性和可靠性等功能。

PMC的NVMe闪存控制器相比现有的各类闪存产品，在吞吐量、延迟、能耗、兼容性及可扩展性等多个方面均具领先优势。

相比传统的SCSI标准， NVMe控制器能够释放闪存全部潜力，带来了显着的性能提升，并大大降低功耗。

具体优势包括：·性能：相比现有的NAND 闪存，吞吐量上有数倍的提升。

·延迟：与现有的SCSI/SAS架构相比，NVMe SSD可降低延迟超过50%。

·IOPs：NVMe PCIe SSD 可提供的IOPs十倍于高端企业级SATA SSD。

·功耗：PMC的NVMe技术中加入了自动功耗状态切换的功能，无需软件干预，NVMe控制器在特定空闲时期后即自动切换为较低功耗状态。

此外，PMC 的NVMe控制器还提供了动态能耗管理接口，允许通过固件来有效管理功耗及性能。

·可扩展性：NVMe支持未来的NVM技术发展至将延迟开销降低到低于一微秒的水平，因此具备支持未来十年技术的可扩展能力。

考虑到每100微妙的网站载入延迟对Amazon即意味着1%的销售额损失，NVMe闪存控制技术带来的延迟改善对市场的影响将不可估量。

与现有的NVMe方案相比，PMC的解决方案上市时间早了大约1年，并提供了性能上的显着优势（3~4倍于竞争技术），容量上也优于对手3~4倍之多。

具体体现在下列几个方面：·大幅度改善延迟及系统的吞吐量·采用标准的NVMe驱动器，简化OEM的认证工作·“软件定义闪存”--定制的固件提供差异化产品与其他采用垄断私有接口的PCIe闪存产品（如Fusion IO的闪存产品）相比，PMC基于NVMe的PCIe闪存控制器兼容性强，在性能上超出对手20~50%之多。

并且，所占用的主机资源大大降低(包括CPU、内存等)，且具有明显价格优势。

PMC 的 NVMe闪存控制器的使用者包括制造具备PCIe Gen 3/2、基于标准NVMe的企业级SSD厂商。

该SSD可用于企业级集中式存储系统、服务器缓存应用和其他要求高性能存储驱动的系统。

终端用户可针对云计算和商业关键应用在其数据中心中部署这些基于PCIe的SSD系统，如在线交易处理、财务数据处理、数据库挖掘和任何对存储性能敏感的应用。