IT 部門面臨著必須選擇和配置數(shù)據(jù)存儲以滿足其組織當前和未來的數(shù)據(jù)中心、系統(tǒng)和最終用戶需求的挑戰(zhàn)。 他們必須預測未來幾年的應用程序使用情況、工作負載大小、性能需求和容量預期。 確定這些要求，然后實施滿足當前和未來這些需求的存儲策略，對于任何 IT 部門來說都是一項艱巨的任務。

隨著技術的發(fā)展，存儲系統(tǒng)的升級對 IT 提出了另一個挑戰(zhàn)，并且通常受到原始硬件采購的限制。 例如，如果部署了基于 SATA 的存儲基礎架構(gòu)，則包括服務器背板、存儲控制器和替換驅(qū)動器在內(nèi)的所有硬件升級都需要基于 SATA 或可能基于 SAS。 為了使存儲發(fā)展到一個新的水平，必須構(gòu)建計算系統(tǒng)以支持使用當前和未來資源的所需應用程序。 如果實現(xiàn)這些目標，IT 的最終結(jié)果可能與存儲成本和系統(tǒng)復雜性的降低有關。

隨著 SFF-TA-1001 規(guī)范的出現(xiàn)¹（也稱為 U.3），存儲行業(yè)越來越接近于為當前和未來的應用程序需求配置存儲。 U.3 是指符合 SFF-TA-1001 規(guī)范的術語，它還要求符合 SFF-8639 模塊規(guī)范². 基于 U.3 的解決方案可以通過使用單一背板和控制器的三模式配置來實現(xiàn)，支持來自一個服務器插槽的所有三個驅(qū)動器接口（SAS、SATA 和 PCIe?）。無論接口如何，SAS 和 SATA SSD 和硬盤驅(qū)動器以及 NVMe?SSD 可在基于 U.3 的服務器內(nèi)互換，并可在同一物理插槽中使用。U.3 可滿足許多行業(yè)需求，同時保護初始存儲投資。

行業(yè)挑戰(zhàn)  當今的服務器存儲架構(gòu)在適應混合或分層環(huán)境的方式上面臨著挑戰(zhàn)。 在任何特定服務器中，存儲可能需要根據(jù)工作負載的需要配置不同接口的硬盤驅(qū)動器和 SSD 組合。 例如，工程團隊可能需要快速 NVMe 驅(qū)動器來測試其開發(fā)環(huán)境中的代碼。 另一個工作組可能需要 SAS 驅(qū)動器來為其創(chuàng)收數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)高可用性和容錯能力。 而且，另一組可能依賴容量優(yōu)化的 SATA 驅(qū)動器或有價值的 SAS 驅(qū)動器來實時分析冷數(shù)據(jù)。 無論應用程序是什么，都可以對服務器的各個部分進行分段，以解決各種用例。

從服務器設計的角度來看，如果沒有 U.3，原始設備制造商需要開發(fā)多個背板、中間板和控制器以適應所有可用的驅(qū)動器接口，這會產(chǎn)生大量具有挑戰(zhàn)性的 SKU 和采購選項供客戶選擇。

當 SAS 接口使企業(yè) SATA SSD 和 HDD 能夠連接到 SAS 背板、HBA 或 RAID 控制器時，驅(qū)動器整合向前邁出了第一步。 這種能力一直持續(xù)到今天，因為大多數(shù)服務器都附帶 SAS HBA 或 RAID 卡，使 SAS 和 SATA SSD/HDD 能夠在同一個驅(qū)動器托架中使用。 盡管 SATA 驅(qū)動器可以輕松地與 SAS 驅(qū)動器交換，但不支持 NVMe SSD，因為它們?nèi)匀恍枰褂弥С?NVMe 的背板的單獨配置（圖 1）。

圖 1 描繪了 SAS、SATA 和 PCIe 接口所需的獨立背板

支持 NVMe SSD 作為驅(qū)動器整合策略的一部分非常重要，因為這些部署正在增加，因為它們比 SAS 和 SATA SSD 提供了顯著的性能改進。 到 42.5 年底，企業(yè)（包括數(shù)據(jù)中心和企業(yè)版）NVMe SSD 的單位消耗預計將占所有 SSD 的 2019% 以上3. 75年底企業(yè)單耗提高到2021%以上，91年底提高到2023%以上3. 目前，基于 NVMe 的服務器、基礎設施和 RAID 控制器選項處于早期階段，需要許多數(shù)據(jù)中心繼續(xù)使用基于 SAS 的 RAID 硬件，以提供成熟、強大的容錯和性能水平。 要直接遷移到 NVMe 存儲，通常需要購買新的支持 NVMe 的服務器，這些服務器使用特定于 NVMe 的背板和控制器。

隨著 SFF-8639 連接器的可用性以及 SFF-8639 模塊規(guī)范的開發(fā)，下一步是通過一個通用基礎設施支持所有三種 SSD 協(xié)議。 該連接器旨在為 NVMe SSD 支持多達四個 PCIe 通道，為 SAS/SATA HDD 或 SSD 支持多達兩個通道。 符合 SFF-8639 模塊規(guī)范已指定為 U.2。 SFF-8639 連接器的插座版本安裝在服務器背板上，雖然它支持所有三種驅(qū)動器接口，但 NVMe 和 SAS/SATA 驅(qū)動器不可互換，除非為兩者配置了托架。 仍然需要單獨的支持 NVMe 的背板來支持 NVMe SSD。

驅(qū)動器整合現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到 U.3，其中 SAS、SATA 和 NVMe 驅(qū)動器在與三模背板和控制器一起使用時都通過一個 SFF-8639 連接器得到支持（圖 2），并且還與 SFF-8639 模塊兼容規(guī)范（U.2）。 對于這種方法，使用相同的 8639 連接器，只是高速通道被重新映射以支持所有三種協(xié)議。 U.3 規(guī)范包括多協(xié)議接受設備連接器的引出線和用法，由 存儲網(wǎng)絡行業(yè)協(xié)會 (SNIA) SSD 外形規(guī)格 (SFF) 技術聯(lián)盟 (TA)。 該規(guī)范于 2017 年 XNUMX 月獲得批準。

圖 2 描繪了 SAS、SATA 和 PCIe 接口的 U.3 三模式通用存儲配置

U.3 關鍵組件  U.3 三模平臺可通過單個背板設計和 SFF-8639 連接器（根據(jù) SFF-TA-1001 規(guī)范定義的修改布線）從同一服務器插槽容納 NVMe、SAS 和 SATA 驅(qū)動器。 該平臺包括： (1) 三?？刂破鳎?(2) SFF-8639 連接器（一個用于驅(qū)動器，一個用于背板）； (3) 通用背板管理框架。

• 三模式控制器

  三模控制器在主機服務器和驅(qū)動背板之間建立連接，支持 SAS、SATA 和 NVMe 存儲協(xié)議。 它具有存儲處理器、高速緩存和與存儲設備的接口連接。 存儲適配器支持所有三種接口，通過單一物理連接驅(qū)動三種協(xié)議的電信號。 控制器內(nèi)的“自動檢測”功能確定控制器當前正在為三種接口協(xié)議中的哪一種提供服務。

  從設計的角度來看，三?？刂破魇?OEM 無需使用一個專用于 SAS 和 SATA 協(xié)議的控制器，以及一個用于 NVMe 的不同控制器。 它提供簡化的控制，實現(xiàn)對 SAS、SATA 和 NVMe 驅(qū)動器協(xié)議的通用托架支持。 憑借這種靈活性，多種驅(qū)動器類型可以與 SAS 和 SATA SSD/HDD 以及 NVMe SSD 混合搭配。
  

• SFF-8639 連接器

  SFF-8639 連接器使背板上的給定驅(qū)動器插槽能夠連接到單根電纜，因此它可以提供對 SAS、SATA 或 NVMe 設備的訪問，并確定由三模式主機驅(qū)動的正確通信協(xié)議。 SFF-TA-1001 (U.3) 規(guī)范通過定義引腳使用和插槽檢測以及解決在設計接受 NVMe 和 SAS/SATA 存儲的背板插座時發(fā)生的主機和背板布線問題將組件聯(lián)系在一起設備（圖3）。

  

  圖 3 展示了向 U.3 三模連接器的演變

  SFF-TA-1001 規(guī)范支持 SFF-8639 連接器上的三種接口類型，其中主機信號用于識別其類型，設備信號用于識別其配置（例如，雙端口 PCIe）。

  U.3 消除了對單獨的 NVMe 和 SAS/SATA 適配器的需求，使 OEM 能夠使用更少的走線、電纜和連接器簡化其背板設計。 這帶來了與構(gòu)建具有更少組件的背板相關的成本優(yōu)勢，以及 OEM 服務器和組件 SKU 的整體簡化。 基于 U.3 的設備需要向后兼容 U.2 主機

• 通用背板管理框架

  通用背板管理 (UBM) 框架定義并提供了一種管理和控制 SAS、SATA 和 NVMe 背板的通用方法（圖 4）。 它也是由 SSD 外形規(guī)格工作組根據(jù)批準的規(guī)范 SFF-TA-1005 開發(fā)的4并為所有服務器存儲提供相同的管理框架，無論接口協(xié)議（SAS、SATA 或 NVMe）或存儲介質(zhì)（HDD 或 SSD）如何。

  

  圖 4 僅展示了 U.3 背板和托架管理所需的一個域
  

資料來源：博通? 公司⁵

管理框架允許用戶管理 SAS、SATA 和 NVMe 設備，而無需對驅(qū)動程序或軟件堆棧進行任何更改，并解決了許多對 NVMe 協(xié)議非常重要的系統(tǒng)級任務，特別是對 U.3 操作。 這種管理包括以下能力：

• 提供確切的機箱插槽位置。 對于此功能，UBM 框架使用戶能夠輕松識別需要更換的存儲驅(qū)動器所在的位置，或者在與故障排除相關時識別可能與驅(qū)動器插槽、電纜、電源或驅(qū)動器本身相關的問題。
• 啟用電纜安裝順序獨立性。 為了在三模配置之前解決此功能，用戶需要將特定電纜鋪設到特定驅(qū)動器插槽，因為總電纜長度在這些配置中極為重要。 在三模配置中，多用途電纜連接到所有驅(qū)動器插槽，從而消除了這個問題。
• 管理背板上的 LED 模式。 UBM 框架使用戶能夠在每個驅(qū)動器上使用 LED 編碼，提供驅(qū)動器活動的可見信號，包括驅(qū)動器使用、驅(qū)動器故障、電源等。
• 啟用電源和環(huán)境管理。 UBM 框架管理插槽和存儲設備的電源，其主要功能是重新啟動無響應的設備。
• 啟用 PCIe 重置。 在總線級別，無論存儲驅(qū)動器是否正常運行，PCIe 都會重置連接到 PCIe 橋接器的每個設備。 UBM 框架使用戶能夠激活特定驅(qū)動器插槽上的 PCIe 重置，僅重置需要它的驅(qū)動器。
• 啟用時鐘模式。 隨著 PCIe 3.0 和 PCIe 4.0 提供更高的數(shù)據(jù)速率，時鐘變得更難以支持這些更高的速度。 UBM 框架可以將存儲設備配置為使用傳統(tǒng)的 PCIe 時鐘網(wǎng)絡或?qū)r鐘信號直接嵌入到高速信號中。 嵌入式時鐘信號可以顯著降低與高速信號相關的電磁干擾，從而實現(xiàn)非常靈活的時鐘。

UBM 框架使控制器能夠通過描述背板來動態(tài)劃分 PCIe 通道，因此 U.3 x1、x2 和 x4 布線都是可能的。 它還提供了一種方法，可以將來自其他邊帶信號（例如 CLKREQ 和 WAKE）的單個 PERST 信號（PCIe 復位）控制為 2×2 和 4×1 布線的多個獨立事件。 UBM 還為 2×2 和 4×1 布線提供參考時鐘 (REFCLK) 控制。 盡管 UBM 被設計為一個可以獨立運行的框架，但在實施 UBM 時它會釋放 U.3 的全部功能。 最終結(jié)果是一個通用的背板管理系統(tǒng)，它允許更高的可配置性和真正的系統(tǒng)靈活性。

U.3 平臺和 SSD 可用性

隨著 SFF-TA-1001 規(guī)范的批準，U.3 生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展，領先的服務器、控制器和 SSD 供應商開發(fā)解決方案以推動該技術平臺向前發(fā)展。 例如，一些一級服務器 OEM 正在實施具有三模式控制器和相關背板的服務器。 初始系統(tǒng)可用性預計將通過第 1 層和第 1 層服務器 OEM，然后是廣泛的渠道產(chǎn)品。

從控制器的角度來看，大多數(shù) RAID/HBA 供應商正在開發(fā)具有三模式功能并支持 U.3 操作的控制器。

SSD方面，鎧俠（原東芝內(nèi)存）、三星、希捷、SK海力士四大硬盤廠商成功參與首屆 U.3 Plugfest 2019 年 1001 月在新罕布什爾大學互操作性實驗室舉行。 在這些 SSD 供應商中，鎧俠率先在 3 年閃存峰會上展示了 SFF-TA-2019 (U.XNUMX) SSD。

總結(jié)

隨著大數(shù)據(jù)越來越大，數(shù)據(jù)越來越快，再加上人工智能、機器學習甚至冷數(shù)據(jù)分析等計算密集型應用，對數(shù)據(jù)存儲更高性能的需求正在突飛猛進。 必須預測今天的應用程序使用、工作負載大小、性能需求和容量預期是一個相當大的挑戰(zhàn)，但預測未來幾年的使用將挑戰(zhàn)提升到一個新的水平。

U.3 三模方法建立在 U.2 規(guī)范之上，使用相同的 SFF-8639 連接器。 這種方法將 SAS、SATA 和 NVMe 支持結(jié)合到服務器內(nèi)部的單個控制器中，由 UBM 系統(tǒng)管理，允許混合和匹配 SAS SSD/HDD、SATA SSD/HDD 和 NVMe SSD。 U.3 提供了一系列巨大的好處，包括：

• 用于存儲的單一背板、連接器和控制器
• 消除每個受支持協(xié)議的單獨組件
• 啟用設備之間的熱插拔（如果設備支持）
• 從一個驅(qū)動器插槽提供 SAS/SATA/NVMe 支持
• 通過使用更少的布線、更少的走線和更少的組件來降低總體存儲成本
• 提供更高的存儲可配置性和真正的系統(tǒng)靈活性
• 高性能
• 當 U.64 驅(qū)動器托架中的 SATA SSD 被 NVMe/PCIe Gen3 x1 SSD 取代時，驅(qū)動器托架帶寬和 IOPS 性能提高 3%⁶
• 在 SATA = 13GB/s 吞吐量的情況下，當 U.4 驅(qū)動器托架中的 SATA SSD 被 NVMe/PCIe Gen4 x3 SSD 取代時，提供 0.6 倍的托架容量性能提升； x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98GB/s； 和 PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76GB/s⁶
• 管理
• 通過 UBM 為所有服務器存儲協(xié)議提供相同的管理工具
• 通用連接
• 將 SAS 和 SATA 的連接優(yōu)勢擴展到 NVMe
• 消除了對特定于協(xié)議的適配器的需要
• 使 U.2-（SFF-8639 模塊）或 U.3-（SFF-TA-1001）兼容驅(qū)動器能夠用于同一存儲架構(gòu)
• 通過通用背板和共享布線基礎設施降低系統(tǒng)成本
• 降低系統(tǒng)購買的復雜性（消除了選擇“錯誤的”背板和存儲適配器的可能性

U.3 平臺滿足了許多行業(yè)需求：降低 TCO 支出，降低存儲部署的復雜性，在 SATA、SAS 和 NVMe 之間提供可行的替代路徑，保持與當前基于 U.2 NVMe 的平臺的向后兼容性，同時保護客戶的初始存儲投資。