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PCIe閃存相對SAS、SATA SSD的優(yōu)勢

當我們在十幾年前開始使用U盤時，只看到它的便攜與易用，估計很少有人還意識到閃存蘊藏著巨大的性能潛力。 

今天，包括PCIe SSD在內(nèi)的閃存存儲在企業(yè)級應(yīng)用中的普及，歸根結(jié)底要歸功于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。一方面，CPU性能越來越快，而發(fā)展緩慢的硬盤越發(fā)顯得跟不上；另一方面，以NAND閃存為代表的半導(dǎo)體存儲容量密度增大，而且越來越便宜。當那個拐點的時間到來，人們發(fā)現(xiàn)用小小的SSD能頂上幾十甚至上百塊硬盤的性能。

在企業(yè)級SSD發(fā)展初期，更多的應(yīng)用形式是安裝在EMC等存儲系統(tǒng)廠商的陣列中，替代磁盤的SAS SDD；或者服務(wù)器里面使用的SATA SSD。它們能夠與傳統(tǒng)硬盤控制器良好兼容，但當時主流的SATA和SAS接口帶寬只有3Gb/s或者6Gb/s（300-600MB/s），如今12Gb/s SAS還沒有普及，而x8 PCIe 2.0的理論帶寬已經(jīng)達到4GB/s，PCIe 3.0更是翻了一倍。

此外，針對傳統(tǒng)硬盤設(shè)計的SAS控制器自身也存在性能瓶頸，那么“有路何須搭橋”？直接將閃存做到PCIe卡上顯然速度和延時都會更好，服務(wù)器的存儲架構(gòu)也變得更加簡單，甚至實際量產(chǎn)的成本都會降低。

這就是今天PCIe SSD越發(fā)流行的原因。

產(chǎn)品架構(gòu)之間的PK

PCIe SSD從架構(gòu)設(shè)計方面來區(qū)分，包括FPGA/ASIC原生控制器方案和SAS IOC轉(zhuǎn)接SAS/SATA SSD模塊幾種方式。

SAS轉(zhuǎn)接方案：盡管筆者一直不看好SAS轉(zhuǎn)接方案的長遠發(fā)展，但兼容性好和成熟的架構(gòu)是它最大的優(yōu)勢。產(chǎn)品形態(tài)就是把SAS控制器連接的多個SSD盤RAID 0做在一張PCIe卡上，因此他們的Firmware（固件）和主機端驅(qū)動與SAS HBA基本通用，兼容絕大多數(shù)的服務(wù)器、各種操作系統(tǒng)版本都沒有問題。

SAS轉(zhuǎn)接方案的PCIe SSD現(xiàn)在很少宣傳其性能，畢竟這方面對比原生PCIe閃存控制器沒有優(yōu)勢。不過，如今幾乎所有PCIe閃存卡的性能對企業(yè)級客戶都不是問題（這也是我們把兼容性和可靠性放在前面講的原因），因此目前市面上Oracle Exadata數(shù)據(jù)庫一體機就用的SAS轉(zhuǎn)接PCIe SSD，最近還有國內(nèi)云和恩墨用EMC ScaleIO分布式SAN軟件搭建的Oracle預(yù)集成系統(tǒng)。

總的來說，SAS轉(zhuǎn)接PCIe SSD的多芯片控制方案從效率、成本上都不占優(yōu)。因此我們幾乎只看到LSI這一家先天有利的廠商（該部門如今已賣給希捷）在該領(lǐng)域表現(xiàn)尚可，Intel搞了一段過渡的SSD 910今年也推出自有ASIC控制器的NVMe產(chǎn)品了。

FPGA/ASIC原生方案：FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的特點是設(shè)計靈活性強，在現(xiàn)有的芯片上通過不同的軟件（Firmware）就可以定義出差異化的閃存卡（盤），并且易于升級。這種低門檻方案非常適合中小規(guī)模的廠商。FPGA芯片的缺點是封裝尺寸和發(fā)熱量比ASIC較大，數(shù)量達到一定規(guī)模后成本不如ASIC。代表廠商是PCIe閃存卡領(lǐng)域的先行者，被SanDisk收購的Fusion-io，被HGST收購的Virident，以及國內(nèi)的Memblaze和Shannon寶存科技等。

圖1：曾經(jīng)是PCIe SSD單卡容量之冠的Fusion-io ioScale 3.2TB。當年它從Facebook走出，帶有為互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)定制，高性價比的特點。令人可喜的是，今年全球率先達到單卡6.4TB容量的寶存科技是一家國內(nèi)廠商。

當PCIe閃存卡向著的容量越來越大、性能越來越高的方向發(fā)展，單卡的功耗就容易超過普通PCIe插槽的25W限制。像SFF-8639尺寸的2.5英寸驅(qū)動器形式，插在服務(wù)器的前端密度更大，還要注意散熱的問題。這時功能相對固定，但功耗較低的ASIC就體現(xiàn)出價值了。但設(shè)計出一顆優(yōu)秀的ASIC，僅僅是流片成功都要付出巨大的成本。目前比較多見的原生PCIe SSD ASIC有被芯片廠商PMC收購的IDT產(chǎn)品線，曾用于美光（Micron）的卡和盤；再有就是Intel和三星這樣的巨頭；我差點忘了Marvell和SandForce（幾經(jīng)轉(zhuǎn)手被希捷收購），盡管后者的原生PCIe SSD控制器應(yīng)該還不能量產(chǎn)出貨，但價格和對技術(shù)門檻要求低向來是他們的優(yōu)勢。

NVMe橫空出世

NVM Express（NVMe)是一種為企業(yè)級、客戶端系統(tǒng)所用的PCI Express SSD而專門設(shè)計的高性能、可擴展主機控制接口。它由Intel等十幾個發(fā)起成員公司領(lǐng)導(dǎo)，以及數(shù)十個成員組成的行業(yè)聯(lián)盟共同開發(fā)。

NVMe主要解決的問題，或者說好處主要包括以下幾點

（1）   標準化的驅(qū)動，比如較高版本的Linux內(nèi)核集成通用的NVMe SSD驅(qū)動程序。

（2）   精簡優(yōu)化的存儲堆棧，提高效率。比如支持更大的隊列深度、MSI-X將IO產(chǎn)生的中斷更好的分配到多個CPU核心上，避免出現(xiàn)性能瓶頸。

（3）   NVMe還有個好處，就是它不僅盯著NAND閃存，還宣稱考慮了下一代性能更高的非易失性半導(dǎo)體存儲介質(zhì)。就眼前來看，已經(jīng)有人拿DRAM放在NVMe卡上跑Demo，也有廠商做出了類似的產(chǎn)品。

更多背景資料參見：

NVMe：PCIe SSD標準不斷完善，直指Fusion-io

IDF2013：NVM Express目標SAN共享存儲

除了性能考慮、驅(qū)動層面對熱插拔更好的支持之外，如果各家的PCIe SSD都同樣使用操作系統(tǒng)自帶的驅(qū)動，無疑對用戶是個好事情——至少能減少許多測試和驗證工作。但另一方面，SSD個性化的增強功能，目前主要是狀態(tài)監(jiān)控，乃至于進一步增值的緩存軟件、RAID支持等都可能要依賴廠商專門的驅(qū)動。如果是帶來同質(zhì)化的結(jié)果，最后拼供應(yīng)鏈和成本，這個市場剩下的估計只有三星、美光等NAND閃存廠商和Intel這樣的業(yè)界巨頭。

NVMe最初是在Fusion-io一家獨大的情況下出現(xiàn)。到了如今PCIe SSD百花齊放的時代，NVMe產(chǎn)品也接近成熟，但由于各家廠商的利益不一致，對NVMe支持的力度也不盡相同。

有幾位業(yè)內(nèi)朋友的觀點可以作為參考：“美國人和國內(nèi)對于NVMe的態(tài)度、普及時間上有些差距。美國人覺得NVMe沒有那么快成熟，而且熱插拔沒有行業(yè)標準，暫時還不可靠，產(chǎn)品之間不兼容。感覺國內(nèi)幾大家都已經(jīng)要撲上去了?！?/span>

“注意各家的驅(qū)動不兼容。都不是用的原始驅(qū)動，因為性能不夠。而且目前價格可真不便宜。

“某國外服務(wù)器廠商對NVMe的支持，推遲到2015年下半年，可能仍會延期。因性價比還不如任何一家‘非標準’的PCIe SSD?！?/span>