SFF-TA-1001(U.3) 범용 드라이브 베이로 진화하는 스토리지

IT 부서는 조직의 현재 및 미래 데이터 센터, 시스템 및 최종 사용자 요구 사항을 충족하도록 데이터 스토리지를 선택하고 구성해야 하는 과제를 안고 있습니다. 애플리케이션 사용, 워크로드 크기, 성능 요구 사항 및 향후 용량 기대치를 예측해야 합니다. 이러한 요구 사항을 결정한 다음 현재와 미래의 이러한 요구 사항을 충족하는 스토리지 전략을 구현하는 것은 모든 IT 부서에서 엄청난 작업입니다.

IT 부서는 조직의 현재 및 미래 데이터 센터, 시스템 및 최종 사용자 요구 사항을 충족하도록 데이터 스토리지를 선택하고 구성해야 하는 과제를 안고 있습니다. 애플리케이션 사용, 워크로드 크기, 성능 요구 사항 및 향후 용량 기대치를 예측해야 합니다. 이러한 요구 사항을 결정한 다음 현재와 미래의 이러한 요구 사항을 충족하는 스토리지 전략을 구현하는 것은 모든 IT 부서에서 엄청난 작업입니다.

기술이 발전함에 따라 스토리지 시스템에 대한 업그레이드는 IT에 또 다른 과제를 제시하며 일반적으로 원래 하드웨어 구매에 의해 제한됩니다. 예를 들어 SATA 기반 스토리지 인프라가 배포된 경우 서버 백플레인, 스토리지 컨트롤러 및 교체 드라이브를 포함한 모든 하드웨어 업그레이드는 SATA 또는 가능하면 SAS 기반이어야 합니다. 스토리지가 다음 단계로 발전하려면 현재 및 미래의 리소스를 사용하여 필요한 애플리케이션을 지원하도록 컴퓨팅 시스템을 구축해야 합니다. 이러한 목표가 달성되면 스토리지 비용 및 시스템 복잡성 감소와 관련하여 IT에 대한 최종 결과가 중요할 수 있습니다.

SFF-TA-1001 사양의 출현으로¹(U.3이라고도 함) 스토리지 업계는 현재와 미래의 애플리케이션 요구 사항에 맞게 스토리지를 구성하는 데 점점 더 가까워지고 있습니다. U.3은 SFF-TA-1001 사양 준수를 나타내는 용어로 SFF-8639 모듈 사양도 준수해야 합니다.². U.3을 기반으로 하는 솔루션은 단일 백플레인과 컨트롤러를 활용하는 삼중 모드 구성으로 달성할 수 있으며, 하나의 서버 슬롯에서 세 가지 드라이브 인터페이스(SAS, SATA 및 PCIe®)를 모두 지원합니다. 인터페이스에 관계없이 SAS 및 SATA NVMe™ SSD뿐만 아니라 SSD 및 하드 드라이브는 U.3 기반 서버 내에서 상호 교환이 가능하며 동일한 물리적 슬롯에서 사용할 수 있습니다. U.3는 초기 스토리지 투자를 보호하면서 다양한 산업 요구 사항을 해결합니다.

업계 과제

오늘날의 서버 스토리지 아키텍처는 혼합 또는 계층화된 환경을 수용하는 방식에 어려움을 겪고 있습니다. 특정 서버 내에서 스토리지에는 워크로드의 요구 사항에 따라 다양한 인터페이스로 구성된 하드 드라이브와 SSD의 조합이 필요할 수 있습니다. 예를 들어 엔지니어링 팀은 개발 환경에서 코드를 테스트하기 위해 빠른 NVMe 드라이브가 필요할 수 있습니다. 또 다른 작업 그룹은 수익 창출 데이터베이스에 대한 고가용성과 내결함성을 달성하기 위해 SAS 드라이브가 필요할 수 있습니다. 그리고 또 다른 그룹은 콜드 데이터를 실시간으로 분석하기 위해 용량 최적화된 SATA 드라이브 또는 가치 있는 SAS 드라이브에 의존할 수 있습니다. 응용 프로그램이 무엇이든 서버의 일부를 분할하여 다양한 사용 사례를 처리할 수 있습니다.

서버 설계 관점에서 U.3가 없으면 OEM은 사용 가능한 모든 드라이브 인터페이스를 수용하기 위해 여러 백플레인, 미드플레인 및 컨트롤러를 개발해야 하므로 고객이 선택할 수 있는 SKU 및 구매 옵션이 풍부해집니다.

드라이브 통합은 SAS 인터페이스가 기업용 SATA SSD 및 HDD를 SAS 백플레인, HBA 또는 RAID 컨트롤러에 연결할 수 있도록 함으로써 초기 단계로 나아갔습니다. 대부분의 서버가 SAS 및 SATA SSD/HDD를 동일한 드라이브 베이에서 사용할 수 있도록 하는 SAS HBA 또는 RAID 카드와 함께 배송되므로 이 기능은 오늘날에도 계속됩니다. SATA 드라이브는 SAS 드라이브로 쉽게 교체할 수 있지만 NVMe 지원 백플레인을 활용하는 별도의 구성이 여전히 필요했기 때문에 NVMe SSD에 대한 지원은 없었습니다(그림 1).

그림 1은 SAS, SATA 및 PCIe 인터페이스에 필요한 별도의 백플레인을 보여줍니다.

드라이브 통합 전략의 일부로 NVMe SSD를 지원하는 것은 SAS 및 SATA SSD를 통해 제공하는 상당한 성능 향상으로 인해 이러한 배포가 증가하고 있기 때문에 매우 중요합니다. 엔터프라이즈에서 NVMe SSD의 단위 소비(데이터 센터 및 엔터프라이즈 버전 포함)는 42.5년 말까지 모든 SSD의 2019% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다.³. 기업의 단위 소비는 75년 말까지 2021% 이상, 91년 말까지 2023% 이상으로 증가할 것입니다.³. 현재 NVMe 기반 서버, 인프라 및 RAID 컨트롤러 옵션은 초기 단계에 있으므로 많은 데이터 센터에서 성숙하고 강력한 수준의 내결함성 및 성능을 제공하기 위해 SAS 기반 RAID 하드웨어를 계속 사용해야 합니다. NVMe 스토리지로 직접 마이그레이션하려면 일반적으로 NVMe 전용 백플레인 및 컨트롤러를 사용하는 새로운 NVMe 지원 서버를 구입해야 합니다.

하나의 공통 인프라로 세 가지 SSD 프로토콜을 모두 지원하는 다음 단계는 SFF-8639 모듈 사양의 개발과 함께 SFF-8639 커넥터의 가용성으로 발생했습니다. 이 커넥터는 NVMe SSD의 경우 최대 8639개의 PCIe 레인과 SAS/SATA HDD 또는 SSD의 경우 최대 2개의 레인을 지원하도록 설계되었습니다. SFF-8639 모듈 사양 준수는 U.XNUMX로 지정되었습니다. SFF-XNUMX 커넥터의 리셉터클 버전은 서버 백플레인에 장착되며 세 가지 드라이브 인터페이스를 모두 지원하지만 NVMe 및 SAS/SATA 드라이브는 둘 다에 대해 베이가 프로비저닝되지 않는 한 상호 교환할 수 없습니다. NVMe SSD를 지원하려면 여전히 별도의 NVMe 지원 백플레인이 필요했습니다.

드라이브 통합은 이제 삼중 모드 백플레인 및 컨트롤러(그림 3)와 함께 사용할 때 하나의 SFF-8639 커넥터를 통해 SAS, SATA 및 NVMe 드라이브가 모두 지원되고 SFF-2 모듈과도 호환되는 U.8639으로 발전했습니다. 사양(U.2). 이 접근 방식에서는 세 가지 프로토콜을 모두 지원하도록 고속 레인이 다시 매핑된다는 점을 제외하면 동일한 8639 커넥터가 사용됩니다. U.3 사양에는 장치 커넥터를 허용하는 다중 프로토콜에 대한 핀 배치 및 사용이 포함되며 스토리지 네트워킹 산업 협회 (SNIA) SSD 폼 팩터(SFF) 기술 제휴사(TA). 이 사양은 2017년 XNUMX월에 비준되었습니다.

그림 2는 SAS, SATA 및 PCIe 인터페이스용 U.3 XNUMX중 모드 범용 스토리지 구성을 보여줍니다.

주요 U.3 구성 요소

U.3 8639중 모드 플랫폼은 단일 백플레인 설계와 SFF-TA-1001 사양에 정의된 수정된 배선이 있는 SFF-1 커넥터를 통해 동일한 서버 슬롯의 NVMe, SAS 및 SATA 드라이브를 수용할 수 있습니다. 플랫폼은 다음으로 구성됩니다. (2) 트라이 모드 컨트롤러; (8639) SFF-3 커넥터(하나는 드라이브용, 다른 하나는 백플레인용); 및 (XNUMX) 범용 백플레인 관리 프레임워크.

삼중 모드 컨트롤러

XNUMX중 모드 컨트롤러는 호스트 서버와 드라이브 백플레인 간의 연결을 설정하여 SAS, SATA 및 NVMe 스토리지 프로토콜을 지원합니다. 스토리지 프로세서, 캐시 메모리 및 스토리지 장치에 대한 인터페이스 연결이 특징입니다. 스토리지 어댑터는 세 가지 인터페이스를 모두 지원하여 단일 물리적 연결을 통해 세 가지 프로토콜에 대한 전기 신호를 구동합니다. 컨트롤러 내의 '자동 감지' 기능은 세 가지 인터페이스 프로토콜 중 컨트롤러가 현재 서비스하고 있는 프로토콜을 결정합니다.

설계 관점에서 삼중 모드 컨트롤러는 OEM이 SAS 및 SATA 프로토콜 전용 컨트롤러 하나와 NVMe용 다른 컨트롤러를 사용할 필요가 없습니다. SAS, SATA 및 NVMe 드라이브 프로토콜에 대한 공통 베이 지원을 가능하게 하는 간소화된 제어 기능을 제공합니다. 이러한 유연성을 통해 여러 드라이브 유형을 SAS 및 SATA SSD/HDD는 물론 NVMe SSD와 혼합하여 일치시킬 수 있습니다.

SFF-8639 커넥터

SFF-8639 커넥터를 사용하면 백플레인의 지정된 드라이브 슬롯을 단일 케이블에 연결할 수 있으므로 SAS, SATA 또는 NVMe 장치에 대한 액세스를 제공하고 1001중 모드 호스트에서 구동되는 적절한 통신 프로토콜을 결정할 수 있습니다. SFF-TA-3(U.3) 사양은 핀 사용 및 슬롯 감지를 정의하고 NVMe 및 SAS/SATA 스토리지를 모두 수용하는 백플레인 리셉터클을 설계할 때 발생하는 호스트 및 백플레인 배선 문제를 해결하여 구성 요소를 하나로 묶습니다. 장치(그림 XNUMX).

그림 3은 U.3 XNUMX중 모드 커넥터로의 진화를 보여줍니다.

SFF-TA-1001 사양은 SFF-8639 커넥터에서 호스트가 해당 유형을 식별하기 위한 신호와 장치가 구성을 식별하기 위한 신호(예: 듀얼 포트 PCIe)를 사용하여 세 가지 인터페이스 유형을 지원합니다.

U.3은 별도의 NVMe 및 SAS/SATA 어댑터가 필요하지 않으므로 OEM이 더 적은 트레이스, 케이블 및 커넥터로 백플레인 설계를 단순화할 수 있습니다. 그 결과 더 적은 구성 요소로 백플레인을 구축하고 OEM 서버 및 구성 요소 SKU를 전반적으로 단순화하는 것과 관련된 비용 이점이 발생합니다. U.3 기반 장치는 U.2 호스트와 역호환되어야 합니다.

범용 백플레인 관리 프레임워크

범용 백플레인 관리(UBM) 프레임워크는 SAS, SATA 및 NVMe 백플레인을 관리하고 제어하기 위한 일반적인 방법을 정의하고 제공합니다(그림 4). 이것도 비준 사양 SFF-TA-1005에 따라 SSD Form Factor Working Group에서 개발했습니다.⁴인터페이스 프로토콜(SAS, SATA 또는 NVMe) 또는 스토리지 미디어(HDD 또는 SSD)에 관계없이 모든 서버 스토리지에서 동일한 관리 프레임워크를 제공합니다.

그림 4는 U.3 백플레인 및 베이 관리에 필요한 단 하나의 도메인을 보여줍니다.

출처: 브로드컴® 주식 회사⁵

관리 프레임워크를 통해 사용자는 드라이버 또는 소프트웨어 스택을 변경하지 않고도 SAS, SATA 및 NVMe 장치를 관리할 수 있으며 NVMe 프로토콜, 특히 U.3 작동에 중요한 여러 시스템 수준 작업을 처리할 수 있습니다. 이 관리에는 다음과 같은 기능이 포함됩니다.

• 정확한 섀시 슬롯 위치를 제공합니다. 이 기능을 위해 UBM 프레임워크를 사용하면 교체해야 하는 스토리지 드라이브의 위치를 ​​쉽게 식별하거나 문제 해결과 관련하여 드라이브 슬롯, 케이블, 전원 또는 드라이브 자체와 관련될 수 있는 가능한 문제를 식별할 수 있습니다.
• 케이블 설치 순서 독립성을 활성화합니다. XNUMX중 모드 구성 전에 이 기능을 해결하려면 이러한 구성에서 전체 케이블 길이가 매우 중요하기 때문에 사용자는 특정 케이블을 특정 드라이브 슬롯에 배치해야 했습니다. XNUMX중 모드 구성에서는 다용도 케이블이 모든 드라이브 슬롯에 연결되어 이 문제를 제거합니다.
• 백플레인에서 LED 패턴을 관리합니다. UBM 프레임워크를 사용하면 드라이브 사용, 드라이브 오류, 전원 등을 포함하는 드라이브 활동의 시각적 신호를 전달하는 LED 인코딩을 각 드라이브에서 활용할 수 있습니다.
• 전원 및 환경 관리를 활성화합니다. UBM 프레임워크는 응답하지 않는 장치의 전원을 껐다 켜는 주요 기능으로 슬롯 및 저장 장치의 전원을 관리합니다.
• PCIe 재설정을 활성화합니다. 버스 수준에서 PCIe는 스토리지 드라이브가 정상적으로 작동하는지 여부에 관계없이 PCIe 브리지에 연결된 모든 장치를 재설정합니다. UBM 프레임워크를 사용하면 사용자가 특정 드라이브 슬롯에서 PCIe 재설정을 활성화하여 필요한 드라이브만 재설정할 수 있습니다.
• 클럭킹 모드를 활성화합니다. PCIe 3.0 및 PCIe 4.0이 제공하는 더 높은 데이터 속도로 인해 이러한 더 빠른 속도에서 클럭킹을 지원하기가 더 어려워집니다. UBM 프레임워크는 기존 PCIe 클록 네트워크를 사용하거나 클록 신호를 고속 신호에 직접 내장하도록 저장 장치를 구성할 수 있습니다. 임베디드 클록 신호는 고속 신호와 관련된 전자기 간섭을 줄이는 데 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 매우 유연한 클록킹이 가능합니다.

UBM 프레임워크를 사용하면 컨트롤러가 백플레인을 설명하여 PCIe 레인을 동적으로 분할할 수 있으므로 U.3 x1, x2 및 x4 배선이 모두 가능합니다. 또한 다른 측파대 신호(예: CLKREQ 및 WAKE)의 단일 PERST 신호(PCIe 재설정)를 2×2 및 4×1 배선에 대한 여러 독립 발생으로 제어하는 ​​방법을 제공합니다. UBM은 또한 2×2 및 4×1 배선을 위한 기준 클록(REFCLK) 제어를 제공합니다. UBM은 자체적으로 작동할 수 있는 프레임워크로 설계되었지만 UBM이 구현되면 U.3의 모든 기능이 잠금 해제됩니다. 최종 결과는 더 큰 구성 가능성과 진정한 시스템 유연성을 허용하는 범용 백플레인 관리 시스템입니다.

U.3 플랫폼 및 SSD 가용성

SFF-TA-1001 사양의 비준으로 U.3 생태계는 이 기술 플랫폼을 발전시키기 위한 솔루션을 개발하는 선도적인 서버, 컨트롤러 및 SSD 공급업체와 함께 발전했습니다. 예를 들어, 일부 계층 1 서버 OEM에서 삼중 모드 컨트롤러 및 연결된 백플레인이 있는 서버를 구현하고 있습니다. 초기 시스템 가용성은 1계층 및 2계층 서버 OEM을 통해 제공될 것으로 예상되며 이후 광범위한 채널 제공이 뒤따를 것입니다.

컨트롤러 관점에서 볼 때 대부분의 RAID/HBA 공급업체는 U.3 작동을 지원하고 XNUMX중 모드 기능을 갖춘 컨트롤러를 개발하고 있습니다.

SSD 관점에서는 KIOXIA(구 Toshiba Memory), 삼성, Seagate, SK Hynix 등 XNUMX개 드라이브 벤더가 성공적으로 참가했습니다. 첫 U.3 플러그페스트 2019년 1001월 University of New Hampshire의 Interoperability Lab에서 개최되었습니다. 이러한 SSD 공급업체 중 KIOXIA는 Flash Memory Summit 3에서 SFF-TA-2019(U.XNUMX) SSD를 최초로 시연했습니다.

요약

빅데이터가 점점 더 커지고 데이터가 더 빨라짐에 따라 인공 지능, 머신 러닝, 콜드 데이터 분석과 같은 계산 집약적인 애플리케이션과 결합하여 데이터 스토리지의 더 높은 성능에 대한 요구가 비약적으로 증가하고 있습니다. 오늘날의 애플리케이션 사용, 워크로드 크기, 성능 요구 사항 및 용량 기대치를 예측하는 것은 상당히 어려운 일이지만 향후 몇 년 동안의 사용을 예측하는 것은 새로운 차원의 문제입니다.

U.3 삼중 모드 접근 방식은 동일한 SFF-2 커넥터를 사용하는 U.8639 사양을 기반으로 합니다. 이 접근 방식은 SAS, SATA 및 NVMe 지원을 서버 내부의 단일 컨트롤러로 결합하며 SAS SSD/HDD, SATA SSD/HDD 및 NVMe SSD를 혼합하고 일치시킬 수 있는 UBM 시스템에서 관리합니다. U.3은 다음과 같은 엄청난 이점을 제공합니다.

• 스토리지용 단일 백플레인, 커넥터 및 컨트롤러
  • 지원되는 각 프로토콜에 대해 별도의 구성 요소 제거
  • 장치 간 핫 스와핑 활성화(장치가 지원하는 경우)
  • 하나의 드라이브 슬롯에서 SAS/SATA/NVMe 지원 제공
  • 더 적은 케이블링, 더 적은 트레이스 및 더 적은 구성 요소를 사용하여 전체 스토리지 비용 절감
  • 뛰어난 스토리지 구성 가능성과 진정한 시스템 유연성 제공
• 고성능
  • U.64 드라이브 베이에서 SATA SSD를 NVMe/PCIe Gen3 x1 SSD로 교체하면 드라이브 베이 대역폭과 IOPS 성능이 3% 향상됩니다.⁶
  • SATA = 13GB/s의 처리량이 주어진 U.4 드라이브 베이에서 SATA SSD를 NVMe/PCIe Gen4 x3 SSD로 교체할 때 0.6배 베이 기능 성능 향상을 제공합니다. x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98GB/s; 및 PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76GB/s⁶
• • UBM을 통해 모든 서버 스토리지 프로토콜에서 동일한 관리 도구 제공
• 범용 연결
  • SAS 및 SATA의 연결 이점을 NVMe로 확장
  • 프로토콜별 어댑터의 필요성 제거
  • 동일한 스토리지 아키텍처에서 U.2-(SFF-8639 모듈) 또는 U.3-(SFF-TA-1001) 호환 드라이브를 사용할 수 있습니다.
  • 범용 백플레인 및 공유 케이블링 인프라를 통해 시스템 비용 절감
  • 시스템 구매 복잡성 감소('잘못된' 백플레인 및 스토리지 어댑터 선택 가능성 제거)

U.3 플랫폼은 TCO 지출 감소, 스토리지 배포의 복잡성 감소, SATA, SAS 및 NVMe 간의 실행 가능한 교체 경로 제공, 현재 U.2 NVMe 기반 플랫폼과의 하위 호환성 유지 등 다양한 업계 요구 사항을 해결합니다. 고객의 초기 스토리지 투자를 보호합니다.

저자 소개 :

 

존 겔드만, KIOXIA

릭 쿠치팔, 브로드컴

카메론 브렛, KIOXIA

상표 :

Broadcom은 Broadcom Inc.의 등록 상표입니다. Linux는 Linus Torvalds의 상표입니다. NVMe 및 NVM Express는 NVM Express, Inc.의 상표입니다. PCIe는 PCI-SIG의 등록 상표입니다. SCSI는 SCSI, LLC의 상표입니다. 기타 모든 상표 또는 등록 상표는 해당 소유자의 자산입니다.

배송 시 요청 사항:

¹SFF-1001에 대한 SFF-TA-4 범용 x8639 링크 정의 사양은 다음에서 사용할 수 있습니다. http://www.snia.org/sff/specifications.

²SFF-8639 모듈 사양은 다음에서 확인할 수 있습니다. http://www.pcisig.com/specifications.

³ 출처: IDC. – "전세계 솔리드 스테이트 드라이브 예측 업데이트, 2019-2023, 시장 예측 표 12, Jeff Janukowicz, 2019년 44492119월, IDC #XNUMX.

⁴SFF-TA-1005 UBM(Universal Backplane Management) 사양은 다음에서 사용할 수 있습니다. http://www.snia.org/sff/specifications.

⁵출처: Broadcom Inc. - "SAS, SATA 및 NVMe 드라이브 베이 관리를 위한 일반적인 방법 – SFF-TA-1005 일명 UBM: 유니버설 베이 관리."

⁶성능 수치는 커넥터에서 실행되는 인터페이스의 물리적 기능을 나타내며 호스트 버스 어댑터 또는 저장 장치의 기능을 나타내지는 않습니다.

제품 이미지 크레딧:

그림 1: SAS/SATA 및 PCIe에 대한 별도의 스토리지 구성:

1. SAS 확장기: 소스 = Avago Technologies – Avago Technologies 12Gb/s SAS 확장기, SAS35x48
2. SAS HBA: 출처 = Broadcom Inc. – Broadcom 9400-8i SAS 12Gb/s 호스트 버스 어댑터
3. PCIe 스위치: 소스 = Broadcom Inc. – Broadcom PEX88096 PCIe 스토리지 스위치
4. SSD: 출처 = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps 기업용 SAS SSD, RM5 12Gbps 가치 SAS SSD, HK6 기업용 SATA SSD, CM6 PCIe 4.0 기업용 NVMe SSD 및 CD6 PCIe 4.0 데이터 센터 NVMe SSD

그림 2: 삼중 모드/범용 백플레인:

1. 삼중 모드 컨트롤러: 소스 = Broadcom Inc. — Broadcom 9400-16i 삼중 모드 스토리지 어댑터
2. SSD: 출처 = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps 기업용 SAS SSD, RM5 12Gbps 가치 SAS SSD, HK6 기업용 SATA SSD, CM6 PCIe 4.0 기업용 NVMe SSD 및 CD6 PCIe 4.0 데이터 센터 NVMe SSD