使用 SFF-TA-1001 (U.3) 通用驱动器托架发展存储

IT 部门面临着必须选择和配置数据存储以满足其组织当前和未来的数据中心、系统和最终用户需求的挑战。 他们必须预测未来几年的应用程序使用情况、工作负载大小、性能需求和容量预期。 确定这些要求，然后实施满足当前和未来这些需求的存储策略，对于任何 IT 部门来说都是一项艰巨的任务。

IT 部门面临着必须选择和配置数据存储以满足其组织当前和未来的数据中心、系统和最终用户需求的挑战。 他们必须预测未来几年的应用程序使用情况、工作负载大小、性能需求和容量预期。 确定这些要求，然后实施满足当前和未来这些需求的存储策略，对于任何 IT 部门来说都是一项艰巨的任务。

随着技术的发展，存储系统的升级对 IT 提出了另一个挑战，并且通常受到原始硬件采购的限制。 例如，如果部署了基于 SATA 的存储基础架构，则包括服务器背板、存储控制器和替换驱动器在内的所有硬件升级都需要基于 SATA 或可能基于 SAS。 为了使存储发展到一个新的水平，必须构建计算系统以支持使用当前和未来资源的所需应用程序。 如果实现这些目标，IT 的最终结果可能与存储成本和系统复杂性的降低有关。

随着 SFF-TA-1001 规范的出现¹（也称为 U.3），存储行业越来越接近于为当前和未来的应用程序需求配置存储。 U.3 是指符合 SFF-TA-1001 规范的术语，它还要求符合 SFF-8639 模块规范². 基于 U.3 的解决方案可以通过使用单一背板和控制器的三模式配置来实现，支持来自一个服务器插槽的所有三个驱动器接口（SAS、SATA 和 PCIe®）。无论接口如何，SAS 和 SATA SSD 和硬盘驱动器以及 NVMe™SSD 可在基于 U.3 的服务器内互换，并可在同一物理插槽中使用。U.3 可满足许多行业需求，同时保护初始存储投资。

行业挑战

当今的服务器存储架构在适应混合或分层环境的方式上面临着挑战。 在任何特定服务器中，存储可能需要根据工作负载的需要配置不同接口的硬盘驱动器和 SSD 组合。 例如，工程团队可能需要快速 NVMe 驱动器来测试其开发环境中的代码。 另一个工作组可能需要 SAS 驱动器来为其创收数据库实现高可用性和容错能力。 而且，另一组可能依赖容量优化的 SATA 驱动器或有价值的 SAS 驱动器来实时分析冷数据。 无论应用程序是什么，都可以对服务器的各个部分进行分段，以解决各种用例。

从服务器设计的角度来看，如果没有 U.3，原始设备制造商需要开发多个背板、中间板和控制器以适应所有可用的驱动器接口，这会产生大量具有挑战性的 SKU 和采购选项供客户选择。

当 SAS 接口使企业 SATA SSD 和 HDD 能够连接到 SAS 背板、HBA 或 RAID 控制器时，驱动器整合向前迈出了第一步。 这种能力一直持续到今天，因为大多数服务器都附带 SAS HBA 或 RAID 卡，使 SAS 和 SATA SSD/HDD 能够在同一个驱动器托架中使用。 尽管 SATA 驱动器可以轻松地与 SAS 驱动器交换，但不支持 NVMe SSD，因为它们仍然需要使用支持 NVMe 的背板的单独配置（图 1）。

图 1 描绘了 SAS、SATA 和 PCIe 接口所需的独立背板

支持 NVMe SSD 作为驱动器整合策略的一部分非常重要，因为这些部署正在增加，因为它们比 SAS 和 SATA SSD 提供了显着的性能改进。 到 42.5 年底，企业（包括数据中心和企业版）NVMe SSD 的单位消耗预计将占所有 SSD 的 2019% 以上³. 75年底企业单耗提高到2021%以上，91年底提高到2023%以上³. 目前，基于 NVMe 的服务器、基础设施和 RAID 控制器选项处于早期阶段，需要许多数据中心继续使用基于 SAS 的 RAID 硬件，以提供成熟、强大的容错和性能水平。 要直接迁移到 NVMe 存储，通常需要购买新的支持 NVMe 的服务器，这些服务器使用特定于 NVMe 的背板和控制器。

随着 SFF-8639 连接器的可用性以及 SFF-8639 模块规范的开发，下一步是通过一个通用基础设施支持所有三种 SSD 协议。 该连接器旨在为 NVMe SSD 支持多达四个 PCIe 通道，为 SAS/SATA HDD 或 SSD 支持多达两个通道。 符合 SFF-8639 模块规范已指定为 U.2。 SFF-8639 连接器的插座版本安装在服务器背板上，虽然它支持所有三种驱动器接口，但 NVMe 和 SAS/SATA 驱动器不可互换，除非为两者配置了托架。 仍然需要单独的支持 NVMe 的背板来支持 NVMe SSD。

驱动器整合现在已经发展到 U.3，其中 SAS、SATA 和 NVMe 驱动器在与三模背板和控制器一起使用时都通过一个 SFF-8639 连接器得到支持（图 2），并且还与 SFF-8639 模块兼容规范（U.2）。 对于这种方法，使用相同的 8639 连接器，只是高速通道被重新映射以支持所有三种协议。 U.3 规范包括多协议接受设备连接器的引出线和用法，由 存储网络行业协会 (SNIA) SSD 外形规格 (SFF) 技术联盟 (TA)。 该规范于 2017 年 XNUMX 月获得批准。

图 2 描绘了 SAS、SATA 和 PCIe 接口的 U.3 三模式通用存储配置

U.3 关键组件

U.3 三模平台可通过单个背板设计和 SFF-8639 连接器（根据 SFF-TA-1001 规范定义的修改布线）从同一服务器插槽容纳 NVMe、SAS 和 SATA 驱动器。 该平台包括： (1) 三模控制器； (2) SFF-8639 连接器（一个用于驱动器，一个用于背板）； (3) 通用背板管理框架。

三模式控制器

三模控制器在主机服务器和驱动背板之间建立连接，支持 SAS、SATA 和 NVMe 存储协议。 它具有存储处理器、高速缓存和与存储设备的接口连接。 存储适配器支持所有三种接口，通过单一物理连接驱动三种协议的电信号。 控制器内的“自动检测”功能确定控制器当前正在为三种接口协议中的哪一种提供服务。

从设计的角度来看，三模控制器使 OEM 无需使用一个专用于 SAS 和 SATA 协议的控制器，以及一个用于 NVMe 的不同控制器。 它提供简化的控制，实现对 SAS、SATA 和 NVMe 驱动器协议的通用托架支持。 凭借这种灵活性，多种驱动器类型可以与 SAS 和 SATA SSD/HDD 以及 NVMe SSD 混合搭配。

SFF-8639 连接器

SFF-8639 连接器使背板上的给定驱动器插槽能够连接到单根电缆，因此它可以提供对 SAS、SATA 或 NVMe 设备的访问，并确定由三模式主机驱动的正确通信协议。 SFF-TA-1001 (U.3) 规范通过定义引脚使用和插槽检测以及解决在设计接受 NVMe 和 SAS/SATA 存储的背板插座时发生的主机和背板布线问题将组件联系在一起设备（图3）。

图 3 展示了向 U.3 三模连接器的演变

SFF-TA-1001 规范支持 SFF-8639 连接器上的三种接口类型，其中主机信号用于识别其类型，设备信号用于识别其配置（例如，双端口 PCIe）。

U.3 消除了对单独的 NVMe 和 SAS/SATA 适配器的需求，使 OEM 能够使用更少的走线、电缆和连接器简化其背板设计。 这带来了与构建具有更少组件的背板相关的成本优势，以及 OEM 服务器和组件 SKU 的整体简化。 基于 U.3 的设备需要向后兼容 U.2 主机。

通用背板管理框架

通用背板管理 (UBM) 框架定义并提供了一种管理和控制 SAS、SATA 和 NVMe 背板的通用方法（图 4）。 它也是由 SSD 外形规格工作组根据批准的规范 SFF-TA-1005 开发的⁴并为所有服务器存储提供相同的管理框架，无论接口协议（SAS、SATA 或 NVMe）或存储介质（HDD 或 SSD）如何。

图 4 仅展示了 U.3 背板和托架管理所需的一个域

资料来源：博通® 公司⁵

管理框架允许用户管理 SAS、SATA 和 NVMe 设备，而无需对驱动程序或软件堆栈进行任何更改，并解决了许多对 NVMe 协议非常重要的系统级任务，特别是对 U.3 操作。 这种管理包括以下能力：

• 提供确切的机箱插槽位置。 对于此功能，UBM 框架使用户能够轻松识别需要更换的存储驱动器所在的位置，或者在与故障排除相关时识别可能与驱动器插槽、电缆、电源或驱动器本身相关的问题。
• 启用电缆安装顺序独立性。 为了在三模配置之前解决此功能，用户需要将特定电缆铺设到特定驱动器插槽，因为总电缆长度在这些配置中极为重要。 在三模配置中，多用途电缆连接到所有驱动器插槽，从而消除了这个问题。
• 管理背板上的 LED 模式。 UBM 框架使用户能够在每个驱动器上使用 LED 编码，提供驱动器活动的可见信号，包括驱动器使用、驱动器故障、电源等。
• 启用电源和环境管理。 UBM 框架管理插槽和存储设备的电源，其主要功能是重新启动无响应的设备。
• 启用 PCIe 重置。 在总线级别，无论存储驱动器是否正常运行，PCIe 都会重置连接到 PCIe 桥接器的每个设备。 UBM 框架使用户能够激活特定驱动器插槽上的 PCIe 重置，仅重置需要它的驱动器。
• 启用时钟模式。 随着 PCIe 3.0 和 PCIe 4.0 提供更高的数据速率，时钟变得更难以支持这些更高的速度。 UBM 框架可以将存储设备配置为使用传统的 PCIe 时钟网络或将时钟信号直接嵌入到高速信号中。 嵌入式时钟信号可以显着降低与高速信号相关的电磁干扰，从而实现非常灵活的时钟。

UBM 框架使控制器能够通过描述背板来动态划分 PCIe 通道，因此 U.3 x1、x2 和 x4 布线都是可能的。 它还提供了一种方法，可以将来自其他边带信号（例如 CLKREQ 和 WAKE）的单个 PERST 信号（PCIe 复位）控制为 2×2 和 4×1 布线的多个独立事件。 UBM 还为 2×2 和 4×1 布线提供参考时钟 (REFCLK) 控制。 尽管 UBM 被设计为一个可以独立运行的框架，但在实施 UBM 时它会释放 U.3 的全部功能。 最终结果是一个通用的背板管理系统，它允许更高的可配置性和真正的系统灵活性。

U.3 平台和 SSD 可用性

随着 SFF-TA-1001 规范的批准，U.3 生态系统已经发展，领先的服务器、控制器和 SSD 供应商开发解决方案以推动该技术平台向前发展。 例如，一些一级服务器 OEM 正在实施具有三模式控制器和相关背板的服务器。 初始系统可用性预计将通过第 1 层和第 1 层服务器 OEM，然后是广泛的渠道产品。

从控制器的角度来看，大多数 RAID/HBA 供应商正在开发具有三模式功能并支持 U.3 操作的控制器。

SSD方面，铠侠（原东芝内存）、三星、希捷、SK海力士四大硬盘厂商成功参与 首届 U.3 Plugfest 2019 年 1001 月在新罕布什尔大学互操作性实验室举行。 在这些 SSD 供应商中，铠侠率先在 3 年闪存峰会上展示了 SFF-TA-2019 (U.XNUMX) SSD。

总结

随着大数据越来越大，数据越来越快，再加上人工智能、机器学习甚至冷数据分析等计算密集型应用，对数据存储更高性能的需求正在突飞猛进。 必须预测今天的应用程序使用、工作负载大小、性能需求和容量预期是一个相当大的挑战，但预测未来几年的使用将挑战提升到一个新的水平。

U.3 三模方法建立在 U.2 规范之上，使用相同的 SFF-8639 连接器。 这种方法将 SAS、SATA 和 NVMe 支持结合到服务器内部的单个控制器中，由 UBM 系统管理，允许混合和匹配 SAS SSD/HDD、SATA SSD/HDD 和 NVMe SSD。 U.3 提供了一系列巨大的好处，包括：

• 用于存储的单一背板、连接器和控制器
  • 消除每个受支持协议的单独组件
  • 启用设备之间的热插拔（如果设备支持）
  • 从一个驱动器插槽提供 SAS/SATA/NVMe 支持
  • 通过使用更少的布线、更少的走线和更少的组件来降低总体存储成本
  • 提供更高的存储可配置性和真正的系统灵活性
• 高性能
  • 当 U.64 驱动器托架中的 SATA SSD 被 NVMe/PCIe Gen3 x1 SSD 取代时，驱动器托架带宽和 IOPS 性能提高 3%⁶
  • 在 SATA = 13GB/s 吞吐量的情况下，当 U.4 驱动器托架中的 SATA SSD 被 NVMe/PCIe Gen4 x3 SSD 取代时，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
• • 通过 UBM 为所有服务器存储协议提供相同的管理工具
• 通用连接
  • 将 SAS 和 SATA 的连接优势扩展到 NVMe
  • 消除了对特定于协议的适配器的需要
  • 使 U.2-（SFF-8639 模块）或 U.3-（SFF-TA-1001）兼容驱动器能够用于同一存储架构
  • 通过通用背板和共享布线基础设施降低系统成本
  • 降低系统购买的复杂性（消除了选择“错误的”背板和存储适配器的可能性

U.3 平台满足了许多行业需求：降低 TCO 支出，降低存储部署的复杂性，在 SATA、SAS 和 NVMe 之间提供可行的替代路径，保持与当前基于 U.2 NVMe 的平台的向后兼容性，同时保护客户的初始存储投资。

作者简介：

 

约翰·格尔德曼，铠侠

里克·库奇帕尔，博通

卡梅隆布雷特，铠侠

商标：

Broadcom 是 Broadcom Inc. 的注册商标。Linux 是 Linus Torvalds 的商标。 NVMe 和 NVM Express 是 NVM Express, Inc. 的商标。 PCIe 是 PCI-SIG 的注册商标。 SCSI 是 SCSI, LLC 的商标。 所有其他商标或注册商标均为其各自所有者的财产。

笔记：

¹SFF-1001 的 SFF-TA-4 通用 x8639 链路定义规范可在以下网址获得： http://www.snia.org/sff/specifications.

²SFF-8639 模块规范可在以下网址获得： http://www.pcisig.com/specifications.

³ 资料来源：国际数据中心。 – “2019-2023 年全球固态硬盘预测更新，市场预测表 12，Jeff Janukowicz，2019 年 44492119 月，IDC #XNUMX。

⁴SFF-TA-1005 通用背板管理 (UBM) 规范可在以下网址获得： http://www.snia.org/sff/specifications.

⁵资料来源：Broadcom Inc. – “SAS、SATA 和 NVMe 驱动器托架的通用管理方法 – SFF-TA-1005 又名 UBM：通用托架管理。”

⁶性能数字代表连接器上运行的接口的物理能力，并不代表主机总线适配器或存储设备的能力。

产品图片学分：

图 1：SAS/SATA 和 PCIe 的独立存储配置：

1. SAS 扩展器：来源 = Avago Technologies – Avago Technologies 12Gb/s SAS 扩展器，SAS35x48
2. SAS HBA：来源 = Broadcom Inc. – Broadcom 9400-8i SAS 12Gb/s 主机总线适配器
3. PCIe 交换机：来源 = Broadcom Inc. – Broadcom PEX88096 PCIe存储开关
4. SSD：来源 = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps 企业级 SAS SSD、RM5 12Gbps 超值 SAS SSD、HK6 企业级 SATA SSD、CM6 PCIe 4.0 企业级 NVMe SSD 和 CD6 PCIe 4.0 数据中心 NVMe SSD

图 2：三模/通用背板：

1. 三模控制器：来源 = Broadcom Inc. — Broadcom 9400-16i 三模存储适配器
2. SSD：来源 = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps 企业级 SAS SSD、RM5 12Gbps 超值 SAS SSD、HK6 企业级 SATA SSD、CM6 PCIe 4.0 企业级 NVMe SSD 和 CD6 PCIe 4.0 数据中心 NVMe SSD