2021.03.24

当前固态存储的状态

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旋转硬碟和风扇是潜在故障的两大主要来源,尽管系统本身是可靠的。更换传统的旋转硬碟将使整体系统的可靠性提升一个档次。固态硬碟不仅更可靠,通常在最终的读写性能以及存取延迟方面也更快,这使得系统更加灵敏。固态硬碟的选择繁多,我们将快速浏览那些仍然存在的介面和形状因素,以及那些已经消失的。

定义
我们将主要关注 SSD。我们将快速讨论 eMMC/DOM/CF/其他简单的基于闪存的驱动器和卡,因为它们不包括先进的驱动控制器,这会妨碍板载 NAND 闪存的性能和寿命。它们是主要设计用于嵌入式使用的小型磁碟,用于保存操作系统映像。读取性能从一般到缓慢不等,但主要问题是较慢的写入速度和降低的写入耐久性。建议在高度以读取为重点的工作负载的应用中使用。

介面规范及其之前的发展
我们之前更详细地看过这些连接器。如果你有兴趣,请点击这里 <link:https://www.aewin.com/application/internal-data-connectors/>
我们不会在这里详细说明,但有三种更受欢迎的介面用于将 SSD 连接到主机系统,它们是:SATA、SAS 和 PCIe。SATA 和 SAS 在存储方面有着悠久的歷史。PCIe 直接附加存储是一个最近的事物,经过了一些试验和错误才达到目前的状态。尽管 NVMe 与基于 PCIe 的 SSD 同义,但在此之前还有其他一些从未流行起来的技术。基于 AHCI 的 PCIe 磁碟在 NVMe 之前就已经推出。AHCI 是一种为旧式旋转磁碟设计的逻辑介面,无法利用 SSD 提供的额外速度。NVMe 通过从零开始定义一个标准,旨在利用 PCIe 的可扩展性以及 NAND 闪存驱动器及其控制器不断提高的速度,拯救了我们免于不够充分的 AHCI 标准。NVMe 是一种逻辑介面,可以以多种形式存在。

形状因素

SSD

介面 PCIe介面使用
SATA SAS PCIe NVMe AHCI
形状因素 2.5″ V V V (U.2) V V
M.2 V (B 或 B+M 键) X V (M 键) V V
PCIe 卡 X X V V V
mSATA V X X N/A N/A
EDSFF X X V (E1/ E3) V X
NF1 X X V (NGSFF/M.3) V X
SATAe X X V V V

注意:用于基于PCIe的SSD的接口类型
红色 = 过时的格式

mSATA
mSATA 是一种迷你化的 SATA 硬碟,因此得名:micro-SATA。由于其较小的佔地面积,它是一种流行的嵌入式使用格式。它使用 PCIe mini 连接器和形状因素,但在电气上使用普遍的 SATA 接口,使其能够在各种平台中使用。

M.2
M.2 是当今人们普遍认为的固态硬碟。它有许多标准长度,如 22110、2280、2242、2230 和 2224。它可以平行安装在主机板上,以便进行较低高度的安装,或者在较短的硬碟情况下垂直安装在主机板上。平行安装确实会佔用 PCB 上宝贵的空间,而垂直安装则有较小的佔地面积需求。其权衡是较小的硬碟通常在这种安装中具有较低的密度。较长的硬碟可以垂直安装,但不太稳固,可能需要额外的机械辅助装置来将其固定在系统上。

M.2 的一个缺点是与热相关。大多数 M.2 是以裸 PCB + 晶片的形式提供,没有冷却解决方案。没有冷却的情况下,在 IOPS 密集的工作负载中,更容易达到热极限。在处理时,没有任何防护措施来避免接触裸 PCB 或元件,这使其在物理力量或静电放电方面可能更脆弱。另一方面,这使其成为一种宽度为 22 毫米的紧凑解决方案,可以轻松挤入许多地方。一些系统也可能使用 PCIe x2 通道连接到 M.2,这限制了 M.2 的最终带宽。如果您需要 M.2 的完整带宽,这是一个应该特别关注的领域。

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图片来源于英特尔

U.2
U.2 是一种 2.5 吋硬碟形状因子,具有 PCIe x4 连接。它可以配置为 1x PCIe x4,或在特殊的双埠硬碟中,配置为 2x PCIe x2 连接,以增加数据连接的冗余性。它有 7mm、9mm 和 15mm 的厚度可供选择,通常高性能硬碟为 15mm。这一直是以数据中心为重点的 SSD 标准。主机插槽与 2.5 吋 SATA 和 SAS 硬碟兼容,并通过同一端口提供数据和电源。

Intel Ruler
Intel Ruler 是一个稍微复杂的主题,所以我们今天只会简单介绍一下。Intel Ruler 的正式名称是 EDSFF,企业与数据中心存储形状因子。它旨在取代 M.2 形状因子,针对 M.2 的弱点进行改进。EDSFF 有长型变体,允许更多 NAND 晶片在板上,从而大幅增加容量。另一方面,还有 E1.s 短型形状因子,体积小,但也与主板平行安装,并且边缘朝向主板。这样可以实现最高的密度和较小的佔用空间在主板上。这也允许在高密度配置中将形状因子前置安装,仅受可用 PCIe 通道数量的限制。它还借鉴了三星 NF1 的设计,通过增加驱动器的宽度来提高 NAND 密度。

  • E1
    • PCIe x4 连接
    • 设计用于1U伺服器
    • Short E1.s format
    • Long E1.l format
  • E3
    • PCIe x16 连接
    • 设计用于2U+伺服器
    • Short E3.s format
    • Long E3.l format

PCIe HHHL
PCIe 扩充卡形状可能是性能最高的固态硬碟。它可以提供 PCIe x8 和 x16 连接主机,增加带宽。这些硬碟中使用的控制器类别通常性能更高,以支持更高的带宽。硬碟的形状也允许更大的散热器,以保持硬碟在最佳性能模式下运行而不会降级。这种性能的另一面是它需要如此多的 PCIe 连接,限制了可以添加的硬碟数量。在典型的伺服器类应用中,插槽的数量也有限,通常更适合用于其他硬体,例如 100GbE NIC 或加速器。只有在非常专门的情况下,例如需要 IOPS 的大型数据库,这些才有意义,而这些 IOPS 是无法通过其他类型的硬体实现的。

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图片来源于英特尔

 

荣誉提名:

Samsung NGSFF/NF1(“M.3”)
我们如果不谈论 NF1 就会失职。NF1 有一些值得注意的有趣特徵,例如双端口能力 NF1,为硬体故障提供额外的韧性,类似于双端口 U.2。它检查了 M.2 的瓶颈(宽度),并扩展了宽度以允许更高密度的 NAND 模组安装在板上。它还使用相同的 M-key M.2 连接器,让硬体供应商可以少存一个项目……然而,麻烦就从这里开始。NF1 在使用相同连接器的情况下与 M.2 电气不兼容。更糟的是,由于引脚定义的不同,可能会将一些数据引脚短路到接地。M.3 引脚定义考虑不周,幸运的是三星已经与英特尔的 EDSFF 联手,以避免这个标准可能造成的所有潜在麻烦。

SATAe
SATAe(SATA express),不要与 eSATA(外部 SATA)混淆,是在 SATA 3.2 规范中引入的一个令人困惑的品牌标准,使用 2 个并排的 SATA 连接器来传输 PCIe 信号。这是一种形状因素,旨在利用 SATA 连接器,同时允许在主机端向后兼容,以支持 2 个 SATA 驱动器。这是一个庞大且笨重的连接器,业界对于它从未流行起来感到欣慰。

 

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