Stockage en évolution avec les baies de lecteur universelles SFF-TA-1001 (U.3)

Les services informatiques sont confrontés au défi de devoir choisir et configurer le stockage de données pour répondre aux exigences actuelles et futures des centres de données, des systèmes et des utilisateurs finaux de leurs organisations. Ils doivent prévoir l'utilisation des applications, la taille des charges de travail, les besoins en performances et les attentes en matière de capacité pour les années à venir. Déterminer ces exigences, puis mettre en œuvre une stratégie de stockage qui répond à ces besoins d'aujourd'hui et de demain, est une tâche colossale pour tout service informatique.

Les services informatiques sont confrontés au défi de devoir choisir et configurer le stockage de données pour répondre aux exigences actuelles et futures des centres de données, des systèmes et des utilisateurs finaux de leurs organisations. Ils doivent prévoir l'utilisation des applications, la taille des charges de travail, les besoins en performances et les attentes en matière de capacité pour les années à venir. Déterminer ces exigences, puis mettre en œuvre une stratégie de stockage qui répond à ces besoins d'aujourd'hui et de demain, est une tâche colossale pour tout service informatique.

À mesure que la technologie évolue, les mises à niveau du système de stockage présentent un autre défi pour l'informatique et sont généralement limitées par l'achat de matériel d'origine. Par exemple, si une infrastructure de stockage basée sur SATA avait été déployée, toutes les mises à niveau matérielles, y compris le fond de panier du serveur, le contrôleur de stockage et les disques de remplacement, devraient être basées sur SATA ou éventuellement SAS. Pour que le stockage passe au niveau supérieur, les systèmes de calcul doivent être conçus pour prendre en charge les applications requises en utilisant les ressources actuelles et futures. Si ces objectifs sont atteints, le résultat final pour l'informatique peut être significatif en termes de réduction des coûts de stockage et de complexité du système.

Avec l'avènement de la spécification SFF-TA-1001¹(également connu sous le nom de U.3), l'industrie du stockage se rapproche de la configuration du stockage pour les besoins actuels et futurs des applications. U.3 est un terme qui fait référence à la conformité à la spécification SFF-TA-1001, qui exige également la conformité à la spécification du module SFF-8639². Les solutions basées sur U.3 pourraient être réalisées avec une configuration tri-mode qui utilise un fond de panier et un contrôleur uniques, prenant en charge les trois interfaces de lecteur (SAS, SATA et PCIe® à partir d'un emplacement de serveur. Quelle que soit l'interface, SAS et SATA Les SSD et les disques durs, ainsi que les SSD NVMe™, sont interchangeables au sein des serveurs U.3 et peuvent être utilisés dans le même emplacement physique. U.3 répond à un certain nombre de besoins de l'industrie, tout en protégeant l'investissement de stockage initial.

Défi de l'industrie

Les architectures de stockage de serveur d'aujourd'hui sont mises au défi dans la manière dont elles s'adaptent aux environnements mixtes ou hiérarchisés. Au sein d'un serveur particulier, le stockage peut nécessiter des combinaisons de disques durs et de SSD configurés avec des interfaces variées en fonction des besoins de la charge de travail. Par exemple, une équipe d'ingénieurs peut avoir besoin de disques NVMe rapides pour tester le code dans ses environnements de développement. Un autre groupe de travail peut avoir besoin de disques SAS pour obtenir une haute disponibilité et une tolérance aux pannes pour sa base de données génératrice de revenus. Et un autre groupe peut s'appuyer sur des disques SATA à capacité optimisée ou sur des disques SAS de valeur pour analyser les données froides en temps réel. Quelle que soit l'application, des parties du serveur peuvent être segmentées pour répondre aux divers cas d'utilisation.

Sans U.3 du point de vue de la conception des serveurs, les OEM doivent développer plusieurs fonds de panier, plans intermédiaires et contrôleurs pour prendre en charge toutes les interfaces de lecteur disponibles, ce qui crée une abondance difficile de SKU et d'options d'achat parmi lesquelles les clients peuvent choisir.

La consolidation des disques a fait un premier pas en avant lorsque l'interface SAS a permis aux SSD et HDD SATA d'entreprise de se connecter aux fonds de panier SAS, aux HBA ou aux contrôleurs RAID. Cette capacité se poursuit aujourd'hui, car la plupart des serveurs sont livrés avec des HBA SAS ou des cartes RAID qui permettent d'utiliser des SSD/HDD SAS et SATA dans la même baie de lecteur. Bien que les disques SATA puissent être facilement remplacés par des disques SAS, les disques SSD NVMe n'étaient pas pris en charge car ils nécessitaient toujours une configuration distincte utilisant un fond de panier compatible NVMe (Figure 1).

La figure 1 illustre les fonds de panier distincts requis pour les interfaces SAS, SATA et PCIe

La prise en charge des SSD NVMe dans le cadre de la stratégie de consolidation des disques est extrêmement importante car ces déploiements sont en augmentation en raison des améliorations de performances significatives qu'ils offrent par rapport aux SSD SAS et SATA. La consommation unitaire des SSD NVMe dans l'entreprise (y compris les versions data center et entreprise) devrait représenter plus de 42.5 % de l'ensemble des SSD d'ici fin 2019³. La consommation unitaire dans l'entreprise passera à plus de 75 % d'ici fin 2021 et à plus de 91 % d'ici fin 2023³. À l'heure actuelle, les options de serveur, d'infrastructure et de contrôleur RAID basés sur NVMe en sont à leurs débuts, ce qui oblige de nombreux centres de données à continuer d'utiliser du matériel RAID basé sur SAS pour fournir un niveau mature et robuste de tolérance aux pannes et de performances. La migration directe vers le stockage NVMe nécessite généralement l'achat de nouveaux serveurs compatibles NVMe qui utilisent un fond de panier et un contrôleur spécifiques à NVMe.

L'étape suivante dans la prise en charge des trois protocoles SSD avec une infrastructure commune s'est produite avec la disponibilité du connecteur SFF-8639, en conjonction avec le développement de la spécification du module SFF-8639. Ce connecteur a été conçu pour prendre en charge jusqu'à quatre voies PCIe pour les SSD NVMe et jusqu'à deux voies pour les disques durs ou SSD SAS/SATA. La conformité à la spécification du module SFF-8639 a été désignée comme U.2. La version de prise du connecteur SFF-8639 se monte sur le fond de panier du serveur, et bien qu'elle prenne en charge les trois interfaces de lecteur, les lecteurs NVMe et SAS/SATA ne sont pas interchangeables à moins que la baie ait été provisionnée pour les deux. Un fond de panier séparé compatible NVMe était toujours nécessaire pour prendre en charge les SSD NVMe.

La consolidation des disques a maintenant évolué vers U.3 où les disques SAS, SATA et NVMe sont tous pris en charge via un connecteur SFF-8639 lorsqu'ils sont utilisés avec un fond de panier et un contrôleur tri-mode (Figure 2), et sont également compatibles avec le module SFF-8639 spécification (U.2). Pour cette approche, le même connecteur 8639 est utilisé, sauf que les voies à grande vitesse sont remappées pour prendre en charge les trois protocoles. La spécification U.3 inclut les brochages et l'utilisation d'un connecteur de périphérique acceptant plusieurs protocoles, et a été développée par le Association de l'industrie du stockage en réseau (SNIA) Facteur de forme SSD (SFF) Affilié technique (TA). Le cahier des charges a été ratifié en octobre 2017.

La figure 2 illustre la configuration de stockage universel tri-mode U.3 pour les interfaces SAS, SATA et PCIe

Composants clés U.3

La plate-forme tri-mode U.3 peut accueillir des disques NVMe, SAS et SATA à partir du même emplacement de serveur via une conception de fond de panier unique et un connecteur SFF-8639 avec un câblage révisé tel que défini par la spécification SFF-TA-1001. La plate-forme est composée d'un : (1) contrôleur tri-mode ; (2) connecteur SFF-8639 (un pour le lecteur et un pour le fond de panier) ; et (3) cadre de gestion de fond de panier universel.

Contrôleur tri-mode

Le contrôleur tri-mode établit la connectivité entre le serveur hôte et le fond de panier du disque, prenant en charge les protocoles de stockage SAS, SATA et NVMe. Il comprend un processeur de stockage, une mémoire cache et une connexion d'interface aux périphériques de stockage. L'adaptateur de stockage prend en charge les trois interfaces, en pilotant les signaux électriques pour les trois protocoles via une seule connexion physique. Une capacité de « détection automatique » dans le contrôleur détermine lequel des trois protocoles d'interface est actuellement pris en charge par le contrôleur.

Du point de vue de la conception, le contrôleur tri-mode élimine le besoin pour les OEM d'utiliser un contrôleur dédié aux protocoles SAS et SATA, et un contrôleur différent pour NVMe. Il offre un contrôle simplifié qui permet la prise en charge de baies communes pour les protocoles de lecteur SAS, SATA et NVMe. Grâce à cette flexibilité, plusieurs types de disques peuvent être mélangés et associés avec des SSD/HDD SAS et SATA, ainsi que des SSD NVMe.

Connecteur SFF-8639

Le connecteur SFF-8639 permet à un emplacement de lecteur donné sur le fond de panier d'être câblé à un seul câble afin qu'il puisse fournir un accès à un périphérique SAS, SATA ou NVMe et déterminer le protocole de communication approprié piloté par l'hôte tri-mode. La spécification SFF-TA-1001 (U.3) relie les composants en définissant l'utilisation des broches et la détection des emplacements, ainsi qu'en résolvant les problèmes de câblage de l'hôte et du fond de panier qui surviennent lors de la conception d'un réceptacle de fond de panier qui accepte à la fois le stockage NVMe et SAS/SATA. périphériques (Figure 3).

La figure 3 présente l'évolution vers un connecteur tri-mode U.3

La spécification SFF-TA-1001 prend en charge les trois types d'interface sur le connecteur SFF-8639 avec des signaux permettant à l'hôte d'identifier son type et des signaux permettant au périphérique d'identifier sa configuration (par exemple, PCIe double port).

U.3 élimine le besoin d'adaptateurs NVMe et SAS/SATA séparés, permettant aux OEM de simplifier leurs conceptions de fond de panier avec moins de traces, de câbles et de connecteurs. Cela se traduit par un avantage financier associé à la construction de fonds de panier avec moins de composants, ainsi qu'une simplification globale des références de serveurs et de composants OEM. Les périphériques basés sur U.3 doivent être rétrocompatibles avec les hôtes U.2.

Cadre de gestion de fond de panier universel

La structure de gestion de fond de panier universelle (UBM) définit et fournit une méthode commune de gestion et de contrôle des fonds de panier SAS, SATA et NVMe (Figure 4). Il a également été développé par le groupe de travail SSD Form Factor sous la spécification ratifiée SFF-TA-1005⁴et fournit un cadre de gestion identique sur tout le stockage du serveur, quel que soit le protocole d'interface (SAS, SATA ou NVMe) ou le support de stockage (HDD ou SSD).

La figure 4 présente un seul domaine requis pour la gestion du fond de panier et de la baie U.3

Source : Broadcom® Inc⁵

Le cadre de gestion permet aux utilisateurs de gérer les périphériques SAS, SATA et NVMe sans aucune modification requise des pilotes ou des piles logicielles, et traite un certain nombre de tâches au niveau du système qui sont importantes pour le protocole NVMe, et plus particulièrement pour le fonctionnement U.3. Cette gestion inclut la possibilité de :

• Fournissez les emplacements exacts des emplacements du châssis. Pour cette capacité, le cadre UBM permet aux utilisateurs d'identifier facilement où se trouvent les disques de stockage qui doivent être remplacés ou, en ce qui concerne le dépannage, identifie les problèmes possibles qui peuvent être associés aux logements de disque, aux câbles, à l'alimentation ou aux disques eux-mêmes.
• Activer l'indépendance de l'ordre d'installation des câbles. Pour répondre à cette capacité avant la configuration tri-mode, les utilisateurs devaient poser des câbles spécifiques sur des emplacements de lecteur spécifiques, car la longueur totale du câble était extrêmement importante dans ces configurations. Dans la configuration tri-mode, un câble multi-usage est connecté à tous les emplacements de lecteur, ce qui élimine ce problème.
• Gérez les modèles de LED sur le fond de panier. Le cadre UBM permet aux utilisateurs d'utiliser le codage LED sur chaque disque qui fournit un signal visible de l'activité du disque qui inclut l'utilisation du disque, les pannes de disque, l'alimentation, etc.
• Activer la gestion de l'alimentation et de l'environnement. La structure UBM gère l'alimentation d'un emplacement et d'un périphérique de stockage avec pour fonction principale de redémarrer un périphérique qui ne répond pas.
• Activez les réinitialisations PCIe. Au niveau du bus, PCIe réinitialise chaque périphérique connecté à un pont PCIe, que les disques de stockage fonctionnent normalement ou non. Le cadre UBM permet aux utilisateurs d'activer les réinitialisations PCIe sur des emplacements de lecteur spécifiques, en réinitialisant uniquement les lecteurs qui en ont besoin.
• Activer les modes de synchronisation. Avec des débits de données plus élevés fournis par PCIe 3.0 et PCIe 4.0, la synchronisation devient plus difficile à prendre en charge à ces vitesses plus élevées. Le cadre UBM peut configurer les périphériques de stockage pour utiliser un réseau d'horloge PCIe traditionnel ou intégrer des signaux d'horloge directement dans les signaux à haute vitesse. Les signaux d'horloge intégrés peuvent avoir un effet significatif sur la réduction des interférences électromagnétiques associées à la signalisation à grande vitesse, ce qui se traduit par une synchronisation très flexible.

Le cadre UBM permet à un contrôleur de diviser dynamiquement les voies PCIe en décrivant le fond de panier afin que le câblage U.3 x1, x2 et x4 soit possible. Il fournit également un moyen de contrôler le signal PREST unique (réinitialisation PCIe) à partir d'autres signaux de bande latérale (tels que CLKREQ et WAKE) en plusieurs occurrences indépendantes pour le câblage 2 × 2 et 4 × 1. UBM fournit également un contrôle d'horloge de référence (REFCLK) pour le câblage 2×2 et 4×1. Bien que l'UBM soit conçu comme un cadre pouvant fonctionner de manière autonome, il libère toute la puissance de l'U.3 lorsque l'UBM est mis en œuvre. Le résultat final est un système de gestion de fond de panier universel qui permet une plus grande configurabilité et une véritable flexibilité du système.

Disponibilité de la plate-forme U.3 et du SSD

Avec la ratification de la spécification SFF-TA-1001, un écosystème U.3 a évolué avec les principaux fournisseurs de serveurs, de contrôleurs et de SSD développant des solutions pour faire progresser cette plate-forme technologique. Par exemple, des serveurs avec des contrôleurs tri-mode et des fonds de panier associés sont mis en œuvre par certains OEM de serveurs de niveau 1. La disponibilité initiale du système devrait se faire via les OEM de serveurs de niveau 1 et de niveau 2, suivis par de larges offres de canaux.

Du point de vue du contrôleur, la plupart des fournisseurs RAID/HBA développent des contrôleurs avec des capacités tri-mode et une prise en charge du fonctionnement U.3.

Du point de vue des SSD, quatre fournisseurs de disques, KIOXIA (anciennement Toshiba Memory), Samsung, Seagate et SK Hynix ont participé avec succès au premier U.3 Plugfest en juillet 2019 au laboratoire d'interopérabilité de l'Université du New Hampshire. Parmi ces fournisseurs de SSD, KIOXIA a été le premier à présenter des SSD SFF-TA-1001 (U.3) au Flash Memory Summit 2019.

Résumé

Avec des mégadonnées de plus en plus volumineuses et des données rapides de plus en plus rapides, couplées à des applications à forte intensité de calcul, comme l'intelligence artificielle, l'apprentissage automatique et même l'analyse de données froides, le besoin de performances supérieures dans le stockage de données augmente à pas de géant. Devoir prédire l'utilisation actuelle des applications, les tailles de charge de travail, les besoins en performances et les attentes en matière de capacité est un défi de taille, mais prévoir l'utilisation pour les années à venir relève le défi.

L'approche tri-mode U.3 s'appuie sur la spécification U.2 en utilisant le même connecteur SFF-8639. Cette approche combine la prise en charge SAS, SATA et NVMe dans un seul contrôleur à l'intérieur d'un serveur, géré par un système UBM qui permet de mélanger et d'associer des SSD/HDD SAS, des SSD/HDD SATA et des SSD NVMe. U.3 offre une vaste gamme d'avantages, notamment :

• Fond de panier, connecteur et contrôleur uniques pour le stockage
  • Élimine les composants séparés pour chaque protocole pris en charge
  • Permet le remplacement à chaud entre les appareils (si l'appareil le prend en charge)
  • Fournit une prise en charge SAS/SATA/NVMe à partir d'un emplacement de disque
  • Réduit les coûts de stockage globaux en utilisant moins de câblage, moins de traces et moins de composants
  • Offre une plus grande configurabilité du stockage et une véritable flexibilité du système
• Optimisation
  • Offre une bande passante de baie de lecteur et des performances IOPS supérieures de 64 % lorsqu'un SSD SATA est remplacé par un SSD NVMe/PCIe Gen3 x1 dans une baie de lecteur U.3⁶
  • Offre une amélioration des performances de la capacité de la baie 13x lorsqu'un SSD SATA est remplacé par un SSD NVMe/PCIe Gen4 x4 dans une baie de lecteur U.3 avec un débit SATA = 0.6 Go/s ; x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98 Go/s ; et PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76 Go/s⁶
• Gestionnaires
  • Fournit les mêmes outils de gestion sur tous les protocoles de stockage de serveur via UBM
• Connectivité universelle
  • Étend les avantages de la connectivité de SAS et SATA à NVMe
  • Élimine le besoin d'adaptateurs spécifiques au protocole
  • Permet d'utiliser des disques compatibles U.2- (module SFF-8639) ou U.3- (SFF-TA-1001) dans la même architecture de stockage
  • Réduit le coût du système grâce à un fond de panier universel et à une infrastructure de câblage partagée
  • Réduit la complexité d'achat du système (supprime la possibilité de sélectionner le "mauvais" fond de panier et les adaptateurs de stockage

La plate-forme U.3 répond à un certain nombre de besoins de l'industrie : réduire les dépenses TCO, réduire la complexité des déploiements de stockage, fournir une voie de remplacement viable entre SATA, SAS et NVMe, maintenir la rétrocompatibilité avec les plates-formes U.2 NVMe actuelles, tout en protéger l'investissement de stockage initial du client.

À propos des auteurs:

 

John Geldman, KIOXIA

Rick Kutcipal, Broadcom

Cameron Brett, KIOXIA

marques de commerce:

Broadcom est une marque déposée de Broadcom Inc. Linux est une marque de Linus Torvalds. NVMe et NVM Express sont des marques déposées de NVM Express, Inc. PCIe est une marque déposée de PCI-SIG. SCSI est une marque commerciale de SCSI, LLC. Toutes les autres marques ou marques déposées sont la propriété de leurs propriétaires respectifs.

Notes:

¹La spécification SFF-TA-1001 Universal x4 Link Definition pour SFF-8639 est disponible sur : http://www.snia.org/sff/specifications.

²La spécification du module SFF-8639 est disponible sur : http://www.pcisig.com/specifications.

³ Source : IDC. - "Mise à jour des prévisions mondiales sur les disques SSD, 2019-2023, tableau des prévisions du marché 12, Jeff Janukowicz, décembre 2019, IDC #44492119.

⁴La spécification SFF-TA-1005 Universal Backplane Management (UBM) est disponible sur : http://www.snia.org/sff/specifications.

⁵Source : Broadcom Inc. – « Méthode commune de gestion des baies de disques SAS, SATA et NVMe – SFF-TA-1005 alias UBM : Universal Bay Management ».

⁶Les nombres de performances représentent les capacités physiques de l'interface s'exécutant sur le connecteur et ne représentent pas les capacités de l'adaptateur de bus hôte ou du périphérique de stockage.

Crédits d'image du produit :

Figure 1 : Configurations de stockage distinctes pour SAS/SATA et PCIe :

1. Module d'extension SAS : Source = Avago Technologies - Module d'extension SAS Avago Technologies 12 Gb/s, SAS35x48
2. HBA SAS : Source = Broadcom Inc. – Adaptateur de bus hôte Broadcom 9400-8i SAS 12 Gb/s
3. Commutateur PCIe : Source = Broadcom Inc. – Broadcom Commutateur de stockage PCIe PEX88096
4. SSD : Source = KIOXIA America, Inc. – SSD SAS entreprise PM5 12 Gbit/s, SSD SAS valeur RM5 12 Gbit/s, SSD SATA entreprise HK6, SSD NVMe entreprise CM6 PCIe 4.0 et SSD NVMe centre de données CD6 PCIe 4.0

Figure 2 : Fond de panier trimode/universel :

1. Contrôleur trimode : Source = Broadcom Inc. — Adaptateur de stockage trimode Broadcom 9400-16i
2. SSD : Source = KIOXIA America, Inc. – SSD SAS entreprise PM5 12 Gbit/s, SSD SAS valeur RM5 12 Gbit/s, SSD SATA entreprise HK6, SSD NVMe entreprise CM6 PCIe 4.0 et SSD NVMe centre de données CD6 PCIe 4.0