Storage in evoluzione con alloggiamenti per unità universali SFF-TA-1001 (U.3).

I dipartimenti IT si trovano a dover scegliere e configurare l'archiviazione dei dati per soddisfare i requisiti attuali e futuri di data center, sistemi e utenti finali per le loro organizzazioni. Devono prevedere l'utilizzo delle applicazioni, le dimensioni del carico di lavoro, le esigenze prestazionali e le aspettative di capacità per gli anni a venire. Determinare questi requisiti e quindi implementare una strategia di storage che soddisfi queste esigenze attuali e future è un'impresa straordinaria per qualsiasi reparto IT.

I dipartimenti IT si trovano a dover scegliere e configurare l'archiviazione dei dati per soddisfare i requisiti attuali e futuri di data center, sistemi e utenti finali per le loro organizzazioni. Devono prevedere l'utilizzo delle applicazioni, le dimensioni del carico di lavoro, le esigenze prestazionali e le aspettative di capacità per gli anni a venire. Determinare questi requisiti e quindi implementare una strategia di storage che soddisfi queste esigenze attuali e future è un'impresa straordinaria per qualsiasi reparto IT.

Con l'evolversi della tecnologia, gli aggiornamenti al sistema di storage rappresentano un'altra sfida per l'IT e sono generalmente limitati dall'acquisto dell'hardware originale. Ad esempio, se fosse stata implementata un'infrastruttura di storage basata su SATA, tutti gli aggiornamenti hardware, inclusi il backplane del server, il controller di storage e le unità sostitutive, dovrebbero essere basati su SATA o eventualmente SAS. Affinché lo storage possa evolversi al livello successivo, è necessario creare sistemi di elaborazione in grado di supportare le applicazioni richieste utilizzando le risorse attuali e future. Se questi obiettivi vengono raggiunti, il risultato finale per l'IT può essere significativo in termini di riduzione dei costi di storage e delle complessità del sistema.

Con l'avvento della specifica SFF-TA-1001¹(noto anche come U.3), il settore dello storage si sta avvicinando alla configurazione dello storage per i requisiti applicativi attuali e futuri. U.3 è un termine che si riferisce alla conformità con la specifica SFF-TA-1001, che richiede anche la conformità con la specifica del modulo SFF-8639². Le soluzioni basate su U.3 possono essere ottenute con una configurazione tri-mode che utilizza un singolo backplane e controller, supportando tutte e tre le interfacce delle unità (SAS, SATA e PCIe® da uno slot del server. Indipendentemente dall'interfaccia, SAS e SATA Gli SSD e i dischi rigidi, così come gli SSD NVMe™, sono intercambiabili all'interno dei server basati su U.3 e possono essere utilizzati nello stesso slot fisico. U.3 soddisfa una serie di esigenze del settore, il tutto proteggendo l'investimento iniziale nello storage.

Sfida del settore

Le odierne architetture di storage server mettono alla prova il modo in cui si adattano ad ambienti misti o su più livelli. All'interno di un particolare server, l'archiviazione può richiedere combinazioni di dischi rigidi e SSD configurati con interfacce diverse a seconda delle esigenze del carico di lavoro. Ad esempio, un team di ingegneri potrebbe aver bisogno di unità NVMe veloci per testare il codice nei propri ambienti di sviluppo. Un altro gruppo di lavoro potrebbe richiedere unità SAS per ottenere elevata disponibilità e tolleranza agli errori per il proprio database che genera entrate. E un altro gruppo può fare affidamento su unità SATA con capacità ottimizzata o unità SAS di valore per analizzare i dati freddi in tempo reale. Qualunque sia l'applicazione, parti del server possono essere segmentate per affrontare i vari casi d'uso.

Senza U.3 dal punto di vista della progettazione dei server, gli OEM devono sviluppare più backplane, mid-plane e controller per ospitare tutte le interfacce di unità disponibili, il che crea una stimolante abbondanza di SKU e opzioni di acquisto tra cui i clienti possono scegliere.

Il consolidamento delle unità ha compiuto un primo passo avanti quando l'interfaccia SAS ha consentito agli SSD e agli HDD SATA aziendali di connettersi a backplane SAS, HBA o controller RAID. Questa funzionalità continua ancora oggi poiché la maggior parte dei server viene fornita con HBA SAS o schede RAID che consentono l'utilizzo di SSD/HDD SAS e SATA nello stesso alloggiamento per unità. Sebbene le unità SATA possano essere facilmente scambiate con unità SAS, non c'era supporto per gli SSD NVMe poiché richiedevano comunque una configurazione separata che utilizza un backplane abilitato per NVMe (Figura 1).

La Figura 1 illustra i backplane separati necessari per le interfacce SAS, SATA e PCIe

Il supporto per gli SSD NVMe come parte della strategia di consolidamento delle unità è estremamente importante poiché queste implementazioni sono in aumento grazie ai significativi miglioramenti delle prestazioni che offrono rispetto agli SSD SAS e SATA. Si prevede che il consumo unitario di SSD NVMe nelle aziende (comprese sia le versioni data center che quelle aziendali) rappresenterà oltre il 42.5% di tutti gli SSD entro la fine del 2019³. Il consumo unitario nell’impresa aumenterà a oltre il 75% entro la fine del 2021 e a oltre il 91% entro la fine del 2023³. Al momento, le opzioni di server, infrastruttura e controller RAID basati su NVMe sono nelle fasi iniziali, richiedendo a molti data center di continuare a utilizzare hardware RAID basato su SAS per fornire un livello maturo e robusto di tolleranza agli errori e prestazioni. Per migrare direttamente allo storage NVMe sarà in genere necessario l'acquisto di nuovi server abilitati per NVMe che utilizzano un backplane e un controller specifici per NVMe.

Il passo successivo nel supportare tutti e tre i protocolli SSD con un'infrastruttura comune è avvenuto con la disponibilità del connettore SFF-8639, in concomitanza con lo sviluppo della specifica del modulo SFF-8639. Questo connettore è stato progettato per supportare fino a quattro corsie PCIe per SSD NVMe e fino a due corsie per HDD o SSD SAS/SATA. La conformità con la specifica del modulo SFF-8639 è stata designata come U.2. La versione con presa del connettore SFF-8639 si monta sul backplane del server e, sebbene supporti tutte e tre le interfacce delle unità, le unità NVMe e SAS/SATA non sono intercambiabili a meno che l'alloggiamento non sia stato predisposto per entrambe. Era ancora necessario un backplane separato abilitato per NVMe per supportare gli SSD NVMe.

Il consolidamento delle unità si è ora evoluto in U.3 dove le unità SAS, SATA e NVMe sono tutte supportate tramite un connettore SFF-8639 se utilizzate con un backplane e un controller tri-mode (Figura 2) e sono inoltre compatibili con il modulo SFF-8639 specifica (U.2). Per questo approccio viene utilizzato lo stesso connettore 8639, tranne che le corsie ad alta velocità vengono rimappate per supportare tutti e tre i protocolli. La specifica U.3 include la piedinatura e l'utilizzo di un connettore per dispositivo che accetta multiprotocollo ed è stata sviluppata da Storage Industry Association (SNIA) Fattore di forma SSD (SFF) Affiliato tecnico (TA). La specifica è stata ratificata nell'ottobre 2017.

La Figura 2 illustra la configurazione di archiviazione universale trimodale U.3 per le interfacce SAS, SATA e PCIe

Componenti chiave U.3

La piattaforma tri-mode U.3 può ospitare unità NVMe, SAS e SATA dallo stesso slot del server attraverso un design backplane singolo e un connettore SFF-8639 con cablaggio rivisto come definito dalle specifiche SFF-TA-1001. La piattaforma è composta da: (1) controller trimodale; (2) Connettore SFF-8639 (uno per l'unità e uno per il backplane); e (3) Quadro di gestione universale del backplane.

Controller a tre modalità

Il controller tri-mode stabilisce la connettività tra il server host e il backplane dell'unità, supportando i protocolli di storage SAS, SATA e NVMe. È dotato di un processore di archiviazione, memoria cache e una connessione di interfaccia ai dispositivi di archiviazione. L'adattatore di archiviazione supporta tutte e tre le interfacce, guidando i segnali elettrici per i tre protocolli attraverso un'unica connessione fisica. Una funzionalità di "rilevamento automatico" all'interno del controller determina quale dei tre protocolli di interfaccia è attualmente servito dal controller.

Dal punto di vista della progettazione, il controller tri-mode elimina la necessità per gli OEM di utilizzare un controller dedicato ai protocolli SAS e SATA e un controller diverso per NVMe. Fornisce un controllo semplificato che consente il supporto di alloggiamenti comuni per i protocolli di unità SAS, SATA e NVMe. Grazie a questa flessibilità, è possibile combinare più tipi di unità e abbinarli a SSD/HDD SAS e SATA, nonché a SSD NVMe.

Connettore SFF-8639

Il connettore SFF-8639 consente di collegare un determinato slot di unità sul backplane a un singolo cavo in modo che possa fornire l'accesso a un dispositivo SAS, SATA o NVMe e determinare il protocollo di comunicazione corretto gestito dall'host tri-mode. La specifica SFF-TA-1001 (U.3) collega insieme i componenti definendo l'utilizzo dei pin e il rilevamento degli slot, oltre a risolvere i problemi di cablaggio dell'host e del backplane che si verificano durante la progettazione di una presa backplane che accetta sia storage NVMe che SAS/SATA dispositivi (Figura 3).

La Figura 3 mostra l'evoluzione verso un connettore trimodale U.3

La specifica SFF-TA-1001 supporta i tre tipi di interfaccia sul connettore SFF-8639 con segnali per l'host per identificarne il tipo e con segnali per il dispositivo per identificarne la configurazione (ad esempio, PCIe a doppia porta).

U.3 elimina la necessità di adattatori NVMe e SAS/SATA separati, consentendo agli OEM di semplificare la progettazione del backplane con meno tracce, cavi e connettori. Ciò si traduce in un vantaggio in termini di costi associato alla realizzazione di backplane con meno componenti, nonché in una semplificazione complessiva degli SKU dei server e dei componenti OEM. I dispositivi basati su U.3 devono essere retrocompatibili con gli host U.2.

Quadro di gestione universale del backplane

Il framework UBM (Universal Backplane Management) definisce e fornisce un metodo comune per la gestione e il controllo dei backplane SAS, SATA e NVMe (Figura 4). Anch'esso è stato sviluppato dall'SSD Form Factor Working Group secondo la specifica ratificata SFF-TA-1005⁴e fornisce un framework di gestione identico su tutto lo storage del server, indipendentemente dal protocollo di interfaccia (SAS, SATA o NVMe) o dal supporto di storage (HDD o SSD).

La Figura 4 mostra un solo dominio richiesto per la gestione del backplane e degli alloggiamenti U.3

Fonte: Broadcom® Inc.⁵

Il framework di gestione consente agli utenti di gestire dispositivi SAS, SATA e NVMe senza alcuna modifica necessaria ai driver o agli stack software e affronta una serie di attività a livello di sistema importanti per il protocollo NVMe e in particolare per il funzionamento U.3. Questa gestione prevede la possibilità di:

• Fornire le posizioni esatte degli slot dello chassis. Per questa funzionalità, il framework UBM consente agli utenti di identificare facilmente dove si trovano le unità di archiviazione che devono essere sostituite o, per quanto riguarda la risoluzione dei problemi, identifica possibili problemi che potrebbero essere associati agli slot delle unità, ai cavi, all'alimentazione o alle unità stesse.
• Abilita l'indipendenza dall'ordine di installazione dei cavi. Per sfruttare questa funzionalità prima della configurazione tri-mode, gli utenti dovevano posare cavi specifici in slot di unità specifici poiché la lunghezza complessiva del cavo era estremamente importante in queste configurazioni. Nella configurazione tri-mode, un cavo multiuso è collegato a tutti gli slot delle unità eliminando questo problema.
• Gestisci i modelli LED sul backplane. Il framework UBM consente agli utenti di utilizzare la codifica LED su ciascuna unità che fornisce un segnale visibile dell'attività dell'unità che include l'utilizzo dell'unità, i guasti dell'unità, l'alimentazione, ecc.
• Abilita la gestione energetica e ambientale. Il framework UBM gestisce l'alimentazione di uno slot e di un dispositivo di archiviazione con la sua funzione principale di spegnere e riaccendere un dispositivo che non risponde.
• Abilita i ripristini PCIe. A livello di bus, PCIe reimposta ogni dispositivo collegato a un bridge PCIe indipendentemente dal fatto che le unità di archiviazione funzionino normalmente o meno. Il framework UBM consente agli utenti di attivare i ripristini PCIe su specifici slot di unità, ripristinando solo le unità che ne hanno bisogno.
• Abilita le modalità di clock. Con velocità dati più elevate fornite da PCIe 3.0 e PCIe 4.0, il clock diventa più difficile da supportare a queste velocità più elevate. Il framework UBM può configurare i dispositivi di storage per utilizzare una tradizionale rete di clock PCIe o incorporare segnali di clock direttamente nei segnali ad alta velocità. I segnali di clock integrati possono avere un effetto significativo nel ridurre l'interferenza elettromagnetica associata alla segnalazione ad alta velocità, ottenendo un clock molto flessibile.

Il framework UBM consente a un controller di dividere dinamicamente le corsie PCIe descrivendo il backplane in modo che siano tutti possibili i cablaggi U.3 x1, x2 e x4. Fornisce inoltre un modo per controllare il singolo segnale PERST (reset PCIe) da altri segnali di banda laterale (come CLKREQ e WAKE) in più occorrenze indipendenti per il cablaggio 2×2 e 4×1. UBM fornisce anche il controllo dell'orologio di riferimento (REFCLK) per il cablaggio 2×2 e 4×1. Sebbene UBM sia concepito come un framework in grado di operare in modo autonomo, quando viene implementato l'UBM libera tutta la potenza dell'U.3. Il risultato finale è un sistema di gestione del backplane universale che consente una maggiore configurabilità e una reale flessibilità del sistema.

Disponibilità della piattaforma U.3 e dell'SSD

Con la ratifica della specifica SFF-TA-1001, si è evoluto un ecosistema U.3 con i principali fornitori di server, controller e SSD che sviluppano soluzioni per far avanzare questa piattaforma tecnologica. Ad esempio, alcuni OEM di server di livello 1 stanno implementando server con controller tri-mode e backplane associati. Si prevede che la disponibilità iniziale del sistema avverrà tramite OEM di server di livello 1 e di livello 2, seguiti da offerte di canali più ampi.

Dal punto di vista dei controller, la maggior parte dei fornitori RAID/HBA sta sviluppando controller con funzionalità tri-mode e supporto per il funzionamento U.3.

Dal punto di vista degli SSD, quattro fornitori di unità, KIOXIA (ex Toshiba Memory), Samsung, Seagate e SK Hynix hanno partecipato con successo al primo Plugfest U.3 nel luglio 2019 tenutosi presso l’Interoperability Lab dell’Università del New Hampshire. Tra questi fornitori di SSD, KIOXIA è stato il primo a presentare gli SSD SFF-TA-1001 (U.3) al Flash Memory Summit 2019.

In breve

Con i big data sempre più grandi e i dati sempre più veloci, insieme ad applicazioni ad alta intensità di calcolo, come l’intelligenza artificiale, l’apprendimento automatico e persino l’analisi dei dati a freddo, la necessità di prestazioni più elevate nell’archiviazione dei dati sta crescendo a passi da gigante. Dover prevedere l’utilizzo odierno delle applicazioni, le dimensioni del carico di lavoro, le esigenze prestazionali e le aspettative di capacità è una vera sfida, ma prevedere l’utilizzo per gli anni a venire porta la sfida a un nuovo livello.

L'approccio tri-mode U.3 si basa sulla specifica U.2 utilizzando lo stesso connettore SFF-8639. Questo approccio combina il supporto SAS, SATA e NVMe in un unico controller all'interno di un server, gestito da un sistema UBM che consente di combinare e abbinare SSD/HDD SAS, SSD/HDD SATA e SSD NVMe. U.3 offre una straordinaria gamma di vantaggi che includono:

• Backplane singolo, connettore e controller per l'archiviazione
  • Elimina componenti separati per ciascun protocollo supportato
  • Abilita lo scambio a caldo tra dispositivi (se il dispositivo lo supporta)
  • Fornisce supporto SAS/SATA/NVMe da uno slot per unità
  • Riduce i costi complessivi di storage utilizzando meno cavi, meno tracce e meno componenti
  • Offre una maggiore configurabilità dello storage e una reale flessibilità del sistema
• Alte prestazioni
  • Offre una larghezza di banda del vano unità e prestazioni IOPS superiori del 64% quando un'unità SSD SATA viene sostituita da un'unità SSD NVMe/PCIe Gen3 x1 in un vano unità U.3⁶
  • Offre un miglioramento delle prestazioni della capacità dell'alloggiamento di 13 volte quando un'unità SSD SATA viene sostituita da un'unità SSD NVMe/PCIe Gen4 x4 in un alloggiamento per unità U.3 con un throughput SATA = 0.6 GB/s; x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98 GB/s; e PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76 GB/s⁶
• Management
  • Fornisce gli stessi strumenti di gestione su tutti i protocolli di storage del server tramite UBM
• Connettività universale
  • Estende i vantaggi della connettività di SAS e SATA a NVMe
  • Elimina la necessità di adattatori specifici del protocollo
  • Consente l'utilizzo di unità conformi U.2- (SFF-8639 Module) o U.3- (SFF-TA-1001) nella stessa architettura di storage
  • Riduce i costi di sistema attraverso un backplane universale e un'infrastruttura di cablaggio condiviso
  • Riduce la complessità dell'acquisto del sistema (elimina la possibilità di selezionare il backplane e gli adattatori di archiviazione "sbagliati").

La piattaforma U.3 risponde a una serie di esigenze del settore: riduzione delle spese in termini di TCO, riduzione delle complessità delle implementazioni di storage, fornitura di un percorso di sostituzione praticabile tra SATA, SAS e NVMe, mantenimento della retrocompatibilità con le attuali piattaforme U.2 basate su NVMe, il tutto proteggere l'investimento di storage iniziale del cliente.

Informazioni sugli autori:

 

John Geldman, KIOXIA

Rick Kutcipal, Broadcom

Cameron Brett, KIOXIA

Marchi:

Broadcom è un marchio registrato di Broadcom Inc. Linux è un marchio di Linus Torvalds. NVMe e NVM Express sono marchi di NVM Express, Inc. PCIe è un marchio registrato di PCI-SIG. SCSI è un marchio di SCSI, LLC. Tutti gli altri marchi o marchi registrati appartengono ai rispettivi proprietari.

Note:

¹La specifica di definizione del collegamento x1001 universale SFF-TA-4 per SFF-8639 è disponibile all'indirizzo: http://www.snia.org/sff/specifications.

²Le specifiche del modulo SFF-8639 sono disponibili all'indirizzo: http://www.pcisig.com/specifications.

³ Fonte: IDC. – “Aggiornamento mondiale delle previsioni per le unità a stato solido, 2019-2023, tabella delle previsioni di mercato 12, Jeff Janukowicz, dicembre 2019, IDC n. 44492119.

⁴La specifica SFF-TA-1005 Universal Backplane Management (UBM) è disponibile all'indirizzo: http://www.snia.org/sff/specifications.

⁵Fonte: Broadcom Inc. – “Metodo comune per la gestione degli alloggiamenti per unità SAS, SATA e NVMe – SFF-TA-1005 a.k.a. UBM: Universal Bay Management”.

⁶I numeri delle prestazioni rappresentano le capacità fisiche dell'interfaccia in esecuzione sul connettore e non rappresentano le capacità dell'adattatore bus host o del dispositivo di archiviazione.

Crediti immagine del prodotto:

Figura 1: configurazioni di storage separate per SAS/SATA e PCIe:

1. Espansione SAS: Fonte = Avago Technologies – Espansione SAS 12Gb/s Avago Technologies, SAS35x48
2. SAS HBA: Fonte = Broadcom Inc. – Adattatore bus host Broadcom 9400-8i SAS 12Gb/s
3. Switch PCIe: Fonte = Broadcom Inc. – Broadcom Switch di archiviazione PCIe PEX88096
4. SSD: Fonte = KIOXIA America, Inc. – SSD SAS aziendale PM5 da 12 Gbps, SSD SAS con valore RM5 da 12 Gbps, SSD SATA aziendale HK6, SSD NVMe aziendale CM6 PCIe 4.0 e SSD NVMe per data center CD6 PCIe 4.0

Figura 2: Backplane trimodale/universale:

1. Controller trimodale: Fonte = Broadcom Inc. — Adattatore di archiviazione trimodale Broadcom 9400-16i
2. SSD: Fonte = KIOXIA America, Inc. – SSD SAS aziendale PM5 da 12 Gbps, SSD SAS con valore RM5 da 12 Gbps, SSD SATA aziendale HK6, SSD NVMe aziendale CM6 PCIe 4.0 e SSD NVMe per data center CD6 PCIe 4.0