Almacenamiento en evolución con bahías de unidades universales SFF-TA-1001 (U.3)

Los departamentos de TI enfrentan el desafío de tener que elegir y configurar el almacenamiento de datos para cumplir con los requisitos actuales y futuros del centro de datos, el sistema y el usuario final para sus organizaciones. Deben predecir el uso de las aplicaciones, los tamaños de las cargas de trabajo, las necesidades de rendimiento y las expectativas de capacidad para los próximos años. Determinar estos requisitos y luego implementar una estrategia de almacenamiento que satisfaga estas necesidades actuales y futuras es una tarea enorme para cualquier departamento de TI.

Los departamentos de TI enfrentan el desafío de tener que elegir y configurar el almacenamiento de datos para cumplir con los requisitos actuales y futuros del centro de datos, el sistema y el usuario final para sus organizaciones. Deben predecir el uso de las aplicaciones, los tamaños de las cargas de trabajo, las necesidades de rendimiento y las expectativas de capacidad para los próximos años. Determinar estos requisitos y luego implementar una estrategia de almacenamiento que satisfaga estas necesidades actuales y futuras es una tarea enorme para cualquier departamento de TI.

A medida que la tecnología evoluciona, las actualizaciones del sistema de almacenamiento presentan otro desafío para TI y, por lo general, están limitadas por la compra del hardware original. Por ejemplo, si se hubiera implementado una infraestructura de almacenamiento basada en SATA, todas las actualizaciones de hardware, incluidas la placa posterior del servidor, el controlador de almacenamiento y las unidades de reemplazo, tendrían que ser SATA o posiblemente basadas en SAS. Para que el almacenamiento evolucione al siguiente nivel, los sistemas informáticos deben construirse para admitir las aplicaciones requeridas utilizando los recursos actuales y futuros. Si se logran estos objetivos, el resultado final para TI puede ser significativo en relación con las reducciones en los costos de almacenamiento y las complejidades del sistema.

Con la llegada de la especificación SFF-TA-1001¹(también conocido como U.3), la industria del almacenamiento se está acercando a la configuración del almacenamiento para los requisitos de las aplicaciones actuales y futuras. U.3 es un término que se refiere al cumplimiento de la especificación SFF-TA-1001, que también requiere el cumplimiento de la especificación del Módulo SFF-8639². Las soluciones que se basan en U.3 se pueden lograr con una configuración trimodal que utiliza un solo backplane y un controlador, que admite las tres interfaces de unidad (SAS, SATA y PCIe®) desde una ranura de servidor. Independientemente de la interfaz, SAS y SATA Los SSD y los discos duros, así como los SSD NVMe™, son intercambiables dentro de los servidores basados ​​en U.3 y se pueden usar en la misma ranura física.U.3 aborda una serie de necesidades de la industria, al mismo tiempo que protege la inversión inicial en almacenamiento.

Desafío de la industria

Las arquitecturas de almacenamiento de servidores de hoy en día enfrentan desafíos en la forma en que se adaptan a entornos mixtos o en niveles. Dentro de cualquier servidor en particular, el almacenamiento puede requerir combinaciones de discos duros y SSD configurados con diversas interfaces según las necesidades de la carga de trabajo. Por ejemplo, un equipo de ingeniería puede necesitar unidades NVMe rápidas para probar el código en sus entornos de desarrollo. Otro grupo de trabajo puede requerir unidades SAS para lograr alta disponibilidad y tolerancia a fallas para su base de datos generadora de ingresos. Y, otro grupo puede confiar en unidades SATA de capacidad optimizada o unidades SAS valiosas para analizar datos fríos en tiempo real. Sea cual sea la aplicación, se pueden segmentar partes del servidor para abordar los diversos casos de uso.

Sin U.3 desde la perspectiva del diseño del servidor, los OEM necesitan desarrollar múltiples backplanes, mid-planes y controladores para acomodar todas las interfaces de unidades disponibles, lo que crea una gran cantidad de SKU y opciones de compra para que los clientes elijan.

La consolidación de unidades dio un primer paso adelante cuando la interfaz SAS permitió que las SSD y HDD SATA empresariales se conectaran a backplanes SAS, HBA o controladores RAID. Esta capacidad continúa hoy en día, ya que la mayoría de los servidores se envían con HBA SAS o tarjetas RAID que permiten usar SSD/HDD SAS y SATA en la misma bahía de unidad. Aunque las unidades SATA se pueden intercambiar fácilmente con unidades SAS, no había soporte para SSD NVMe, ya que aún requerían una configuración separada que utiliza un backplane habilitado para NVMe (Figura 1).

La Figura 1 muestra los backplanes separados requeridos para las interfaces SAS, SATA y PCIe

La compatibilidad con SSD NVMe como parte de la estrategia de consolidación de unidades es extremadamente importante, ya que estas implementaciones van en aumento debido a las significativas mejoras de rendimiento que ofrecen sobre las SSD SAS y SATA. Se espera que el consumo unitario de SSD NVMe en la empresa (incluidas las versiones de centro de datos y empresarial) represente más del 42.5 % de todos los SSD para finales de 2019³. El consumo unitario en la empresa aumentará a más del 75 % a fines de 2021 y a más del 91 % a fines de 2023³. En la actualidad, las opciones de servidor, infraestructura y controlador RAID basados ​​en NVMe se encuentran en sus primeras etapas, lo que requiere que muchos centros de datos continúen usando hardware RAID basado en SAS para proporcionar un nivel sólido y maduro de tolerancia a fallas y rendimiento. Para migrar directamente al almacenamiento NVMe, normalmente se requerirá la compra de nuevos servidores habilitados para NVMe que utilicen un backplane y un controlador específicos de NVMe.

El siguiente paso para admitir los tres protocolos SSD con una infraestructura común ocurrió con la disponibilidad del conector SFF-8639, junto con el desarrollo de la especificación del módulo SFF-8639. Este conector se diseñó para admitir hasta cuatro carriles de PCIe para SSD NVMe y hasta dos carriles para HDD o SSD SAS/SATA. El cumplimiento de la especificación del módulo SFF-8639 se ha designado como U.2. La versión de receptáculo del conector SFF-8639 se monta en la placa posterior del servidor y, aunque es compatible con las tres interfaces de unidades, las unidades NVMe y SAS/SATA no son intercambiables a menos que la bahía se aprovisione para ambas. Todavía se requería un plano posterior separado habilitado para NVMe para admitir SSD NVMe.

La consolidación de unidades ahora ha evolucionado a U.3, donde las unidades SAS, SATA y NVMe son todas compatibles a través de un conector SFF-8639 cuando se usan con una placa posterior trimodal y un controlador (Figura 2), y también cumplen con el módulo SFF-8639 especificación (U.2). Para este enfoque, se usa el mismo conector 8639, excepto que los carriles de alta velocidad se reasignan para admitir los tres protocolos. La especificación U.3 incluye los pines y el uso de un conector de dispositivo de aceptación multiprotocolo, y fue desarrollada por el Asociación de la industria de redes de almacenamiento (SNIA) Factor de forma SSD (SFF) Afiliado técnico (TA). La especificación fue ratificada en octubre de 2017.

La Figura 2 muestra la configuración de almacenamiento universal trimodal U.3 para interfaces SAS, SATA y PCIe

Componentes clave U.3

La plataforma trimodal U.3 puede acomodar unidades NVMe, SAS y SATA desde la misma ranura de servidor a través de un diseño de panel posterior único y un conector SFF-8639 con cableado revisado según lo definido por la especificación SFF-TA-1001. La plataforma se compone de un: (1) controlador trimodal; (2) Conector SFF-8639 (uno para la unidad y otro para el backplane); y (3) Marco de gestión de backplane universal.

Controlador trimodal

El controlador trimodal establece la conectividad entre el servidor host y el plano posterior de la unidad, y admite los protocolos de almacenamiento SAS, SATA y NVMe. Cuenta con un procesador de almacenamiento, memoria caché y una conexión de interfaz a los dispositivos de almacenamiento. El adaptador de almacenamiento admite las tres interfaces y dirige las señales eléctricas de los tres protocolos a través de una sola conexión física. Una capacidad de 'detección automática' dentro del controlador determina cuál de los tres protocolos de interfaz está siendo atendido actualmente por el controlador.

Desde una perspectiva de diseño, el controlador trimodal elimina la necesidad de que los OEM utilicen un controlador dedicado a los protocolos SAS y SATA, y un controlador diferente para NVMe. Ofrece un control simplificado que permite la compatibilidad con bahías comunes para los protocolos de unidades SAS, SATA y NVMe. Con esta flexibilidad, se pueden combinar varios tipos de unidades con SSD/HDD SAS y SATA, así como SSD NVMe.

Conector SFF-8639

El conector SFF-8639 permite que una ranura de unidad determinada en el backplane se conecte a un solo cable para que pueda proporcionar acceso a un dispositivo SAS, SATA o NVMe y determinar el protocolo de comunicaciones adecuado impulsado por el host trimodal. La especificación SFF-TA-1001 (U.3) une los componentes al definir el uso de clavijas y la detección de ranuras, además de abordar los problemas de cableado del panel posterior y del host que ocurren cuando se diseña un receptáculo de panel posterior que acepta almacenamiento NVMe y SAS/SATA. dispositivos (Figura 3).

La Figura 3 muestra la evolución hacia un conector trimodal U.3

La especificación SFF-TA-1001 admite los tres tipos de interfaz en el conector SFF-8639 con señales para que el host identifique su tipo y con señales para que el dispositivo identifique su configuración (p. ej., PCIe de dos puertos).

U.3 elimina la necesidad de adaptadores NVMe y SAS/SATA independientes, lo que permite a los fabricantes de equipos originales simplificar sus diseños de backplane con menos trazas, cables y conectores. Esto da como resultado un beneficio de costo asociado con la construcción de backplanes con menos componentes, así como una simplificación general de los SKU de componentes y servidores OEM. Los dispositivos basados ​​en U.3 deben ser compatibles con versiones anteriores de hosts U.2.

Marco de gestión de plano posterior universal

El marco de administración universal de backplane (UBM) define y proporciona un método común para administrar y controlar backplanes SAS, SATA y NVMe (Figura 4). También fue desarrollado por SSD Form Factor Working Group bajo la especificación ratificada SFF-TA-1005⁴y proporciona un marco de gestión idéntico en todo el almacenamiento del servidor, independientemente del protocolo de interfaz (SAS, SATA o NVMe) o los medios de almacenamiento (HDD o SSD).

La figura 4 muestra solo un dominio requerido para la administración de bahías y backplanes U.3

Fuente: Broadcom® Inc.⁵

El marco de administración permite a los usuarios administrar dispositivos SAS, SATA y NVMe sin necesidad de realizar cambios en los controladores o las pilas de software, y aborda una serie de tareas a nivel del sistema que son importantes para el protocolo NVMe, y específicamente para la operación U.3. Esta gestión incluye la capacidad de:

• Proporcione las ubicaciones exactas de las ranuras del chasis. Para esta capacidad, el marco UBM permite a los usuarios identificar fácilmente dónde se encuentran las unidades de almacenamiento que deben reemplazarse o, en lo que respecta a la resolución de problemas, identifica posibles problemas que pueden estar asociados con las ranuras de las unidades, los cables, la alimentación o las propias unidades.
• Habilite la independencia del orden de instalación de cables. Para abordar esta capacidad antes de la configuración trimodal, los usuarios debían colocar cables específicos en ranuras de unidades específicas, ya que la longitud total del cable era extremadamente importante en estas configuraciones. En la configuración trimodal, se conecta un cable multiuso a todas las ranuras de unidades, lo que elimina este problema.
• Administre los patrones de LED en el backplane. El marco UBM permite a los usuarios utilizar la codificación LED en cada unidad que ofrece una señal visible de la actividad de la unidad que incluye el uso de la unidad, las fallas de la unidad, la alimentación, etc.
• Habilitar la gestión energética y medioambiental. El marco de UBM gestiona la alimentación de una ranura y un dispositivo de almacenamiento con su función principal de apagar y encender un dispositivo que no responde.
• Habilite los restablecimientos de PCIe. A nivel de bus, PCIe restablece todos los dispositivos conectados a un puente PCIe, independientemente de si las unidades de almacenamiento funcionan con normalidad o no. El marco UBM permite a los usuarios activar restablecimientos de PCIe en ranuras de unidades específicas, restableciendo solo las unidades que lo necesitan.
• Habilitar modos de reloj. Con velocidades de datos más altas proporcionadas por PCIe 3.0 y PCIe 4.0, el reloj se vuelve más difícil de soportar a estas velocidades más altas. El marco UBM puede configurar dispositivos de almacenamiento para usar una red de reloj PCIe tradicional o incorporar señales de reloj directamente en las señales de alta velocidad. Las señales de reloj integradas pueden tener un efecto significativo en la reducción de la interferencia electromagnética asociada con la señalización de alta velocidad, lo que da como resultado un reloj muy flexible.

El marco UBM permite que un controlador divida dinámicamente los carriles PCIe describiendo el backplane para que el cableado U.3 x1, x2 y x4 sea posible. También proporciona una forma de controlar la señal PERST única (restablecimiento de PCIe) desde otras señales de banda lateral (como CLKREQ y WAKE) en múltiples eventos independientes para cableado 2×2 y 4×1. UBM también proporciona control de reloj de referencia (REFCLK) para cableado 2×2 y 4×1. Aunque UBM está diseñado como un marco que puede funcionar por sí solo, desbloquea todo el poder de U.3 cuando se implementa UBM. El resultado final es un sistema de gestión de backplane universal que permite una mayor capacidad de configuración y una verdadera flexibilidad del sistema.

Disponibilidad de SSD y plataforma U.3

Con la ratificación de la especificación SFF-TA-1001, un ecosistema U.3 ha evolucionado con proveedores líderes de servidores, controladores y SSD que desarrollan soluciones para hacer avanzar esta plataforma tecnológica. Por ejemplo, algunos OEM de servidores de nivel 1 están implementando servidores con controladores trimodales y backplanes asociados. Se espera que la disponibilidad inicial del sistema sea a través de los OEM de servidores de nivel 1 y nivel 2, seguida de amplias ofertas de canales.

Desde la perspectiva del controlador, la mayoría de los proveedores de RAID/HBA están desarrollando controladores con capacidades trimodales y soporte para la operación U.3.

Desde la perspectiva de SSD, cuatro proveedores de unidades, KIOXIA (anteriormente Toshiba Memory), Samsung, Seagate y SK Hynix participaron con éxito en la primer U.3 Plugfest en julio de 2019 en el Laboratorio de Interoperabilidad de la Universidad de New Hampshire. De estos proveedores de SSD, KIOXIA fue el primero en demostrar los SSD SFF-TA-1001 (U.3) en Flash Memory Summit 2019.

Resumen

Con los grandes datos cada vez más grandes y los datos rápidos cada vez más rápidos, junto con las aplicaciones de computación intensiva, como la inteligencia artificial, el aprendizaje automático e incluso el análisis de datos fríos, la necesidad de un mayor rendimiento en el almacenamiento de datos está creciendo a pasos agigantados. Tener que predecir el uso actual de las aplicaciones, los tamaños de las cargas de trabajo, las necesidades de rendimiento y las expectativas de capacidad es todo un desafío, pero pronosticar el uso en los años venideros lleva el desafío a un nuevo nivel.

El enfoque trimodal U.3 se basa en la especificación U.2 utilizando el mismo conector SFF-8639. Este enfoque combina la compatibilidad con SAS, SATA y NVMe en un solo controlador dentro de un servidor, administrado por un sistema UBM que permite mezclar y combinar SSD/HDD SAS, SSD/HDD SATA y SSD NVMe. U.3 proporciona una gran variedad de beneficios que incluyen:

• Panel posterior único, conector y controlador para almacenamiento
  • Elimina componentes separados para cada protocolo compatible
  • Permite el intercambio en caliente entre dispositivos (si el dispositivo lo admite)
  • Proporciona compatibilidad con SAS/SATA/NVMe desde una ranura de unidad
  • Reduce los costos generales de almacenamiento al usar menos cableado, menos rastros y menos componentes
  • Ofrece una mayor capacidad de configuración del almacenamiento y una verdadera flexibilidad del sistema
• Alto Rendimiento
  • Ofrece un 64 % más de ancho de banda de bahía de unidad y rendimiento de IOPS cuando se reemplaza una SSD SATA por una SSD NVMe/PCIe Gen3 x1 en una bahía de unidad U.3⁶
  • Ofrece una mejora del rendimiento de la capacidad de la bahía de 13x cuando se reemplaza una SSD SATA por una SSD NVMe/PCIe Gen4 x4 en una bahía de unidad U.3 con un rendimiento de SATA = 0.6 GB/s; x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98 GB/s; y PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76 GB/s⁶
• Administración
  • Proporciona las mismas herramientas de gestión en todos los protocolos de almacenamiento del servidor a través de UBM
• Conectividad universal
  • Amplía los beneficios de conectividad de SAS y SATA a NVMe
  • Elimina la necesidad de adaptadores específicos de protocolo
  • Permite utilizar unidades compatibles con U.2- (módulo SFF-8639) o U.3- (SFF-TA-1001) en la misma arquitectura de almacenamiento
  • Reduce el costo del sistema a través de un backplane universal y una infraestructura de cableado compartido
  • Disminuye la complejidad de la compra del sistema (elimina la posibilidad de seleccionar la placa posterior y los adaptadores de almacenamiento "incorrectos"

La plataforma U.3 aborda una serie de necesidades de la industria: reduce los gastos de TCO, reduce las complejidades de las implementaciones de almacenamiento, proporciona una ruta de reemplazo viable entre SATA, SAS y NVMe, mantiene la compatibilidad con las plataformas actuales basadas en NVMe U.2, todo mientras protegiendo la inversión inicial en almacenamiento del cliente.

Sobre los autores:

John Geldman es el director de estándares de la industria SSD en KIOXIA America, Inc. (anteriormente Toshiba Memory America, Inc.) y dirige las actividades de estándares de almacenamiento. Actualmente participa en actividades de estándares que involucran JEDEC, NVM Express, PCI-SIG, SATA, SFF, SNIA, T10, T13 y TCG. Ha contribuido a las actividades de estándares durante más de tres décadas que cubren la memoria flash NAND, el almacenamiento en disco duro, Linux™, redes, seguridad y desarrollo de circuitos integrados. John ha estado en la junta, ha presidido o editado especificaciones para CompactFlash, SD Card Association, USB, UFSA, IEEE 1667, JEDEC, T10 y T13, y actualmente se desempeña como miembro de la Junta Directiva de NVM Express, Cª

 

John Geldman, KIOXIA

Rick Kutcipal ysa Gerente de Marketing en el Grupo de Almacenamiento de Centros de Datos en Broadcom Inc., y es un veterano de 25 años en el negocio de almacenamiento de datos y computación. Coordina la mayoría de las actividades de estándares de almacenamiento global para Broadcom. Antes de Broadcom, Rick pasó casi 15 años en LSI Logic como gerente de productos y jugó un papel decisivo en el lanzamiento del primer expansor SAS de 12 Gb/s en la industria. Anteriormente en su carrera, Rick diseñó chips avanzados y sistemas de nivel de placa para Evans & Sutherland. Hoy, Rick es miembro de la junta directiva de SCSI Trade Association (STA), y desempeña un papel influyente en la definición y promoción de la tecnología SAS.

Rick Kutcipal, Broadcom

Cameron Brett es el director de marketing empresarial de KIOXIA America, Inc. (anteriormente Toshiba Memory America, Inc.) y es responsable del marketing y la mensajería salientes de los productos de memoria, software y SSD empresariales. Representa a KIOXIA como copresidente del grupo de trabajo de marketing de NVM Express, también como miembro de la junta directiva y presidente de SCSI Trade Association (STA), y también como copresidente de Storage Networking Industry Association (SNIA) SSD SIG. Cam es un veterano de 20 años en la industria del almacenamiento y ha ocupado puestos de gestión y marketing de productos en Toshiba Memory, PMC-Sierra, QLogic, Broadcom y Adaptec.

Cameron Brett

Marcas registradas:

Broadcom es una marca comercial registrada de Broadcom Inc. Linux es una marca comercial de Linus Torvalds. NVMe y NVM Express son marcas comerciales de NVM Express, Inc. PCIe es una marca registrada de PCI-SIG. SCSI es una marca registrada de SCSI, LLC. Todas las demás marcas comerciales o marcas registradas son propiedad de sus respectivos dueños.

Notas:

¹La especificación de definición de enlace universal x1001 SFF-TA-4 para SFF-8639 está disponible en: http://www.snia.org/sff/specifications.

²La especificación del módulo SFF-8639 está disponible en: http://www.pcisig.com/specifications.

³ Fuente: IDC. – “Actualización del pronóstico de la unidad de estado sólido en todo el mundo, 2019-2023, Tabla de pronóstico del mercado 12, Jeff Janukowicz, diciembre de 2019, IDC n.° 44492119.

⁴La especificación SFF-TA-1005 Universal Backplane Management (UBM) está disponible en: http://www.snia.org/sff/specifications.

⁵Fuente: Broadcom Inc. – “Método común para la gestión de bahías de unidades SAS, SATA y NVMe – SFF-TA-1005 alias UBM: Universal Bay Management”.

⁶Los números de rendimiento representan las capacidades físicas de la interfaz que se ejecuta a través del conector y no representan las capacidades del adaptador de bus host o el dispositivo de almacenamiento.

Créditos de imagen del producto:

Figura 1: Configuraciones de almacenamiento separadas para SAS/SATA y PCIe:

1. Expansor SAS: Fuente = Avago Technologies – Expansor SAS de 12 Gb/s de Avago Technologies, SAS35x48
2. SAS HBA: Fuente = Broadcom Inc. – Adaptador de bus host Broadcom 9400-8i SAS de 12 Gb/s
3. Conmutador PCIe: Fuente = Broadcom Inc. – Broadcom Conmutador de almacenamiento PCIe PEX88096
4. SSD: Fuente = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps Enterprise SAS SSD, RM5 12Gbps Value SAS SSD, HK6 Enterprise SATA SSD, CM6 PCIe 4.0 Enterprise NVMe SSD y CD6 PCIe 4.0 Data Center NVMe SSD

Figura 2: Plano posterior trimodal/universal:

1. Controlador trimodal: Fuente = Broadcom Inc. — Adaptador de almacenamiento trimodal Broadcom 9400-16i
2. SSD: Fuente = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps Enterprise SAS SSD, RM5 12Gbps Value SAS SSD, HK6 Enterprise SATA SSD, CM6 PCIe 4.0 Enterprise NVMe SSD y CD6 PCIe 4.0 Data Center NVMe SSD