SFF-TA-1001 (U.3) ユニバーサル ドライブ ベイによる進化するストレージ

IT 部門は、組織の現在および将来のデータセンター、システム、エンドユーザーの要件を満たすようにデータ ストレージを選択および構成する必要があるという課題に直面しています。今後何年にもわたって、アプリケーションの使用状況、ワークロードのサイズ、パフォーマンスのニーズ、および予想される容量を予測する必要があります。これらの要件を決定し、現在および将来のニーズを満たすストレージ戦略を実装することは、どの IT 部門にとっても大変な仕事です。

IT 部門は、組織の現在および将来のデータセンター、システム、エンドユーザーの要件を満たすようにデータ ストレージを選択および構成する必要があるという課題に直面しています。今後何年にもわたって、アプリケーションの使用状況、ワークロードのサイズ、パフォーマンスのニーズ、および予想される容量を予測する必要があります。これらの要件を決定し、現在および将来のニーズを満たすストレージ戦略を実装することは、どの IT 部門にとっても大変な仕事です。

テクノロジーが進化するにつれ、ストレージ システムのアップグレードは IT にとって新たな課題となり、通常は購入した元のハードウェアによって制限されます。たとえば、SATA ベースのストレージ インフラストラクチャが導入されている場合、サーバー バックプレーン、ストレージ コントローラ、交換用ドライブを含むすべてのハードウェア アップグレードは SATA ベース、または場合によっては SAS ベースである必要があります。ストレージを次のレベルに進化させるには、現在および将来のリソースを使用して必要なアプリケーションをサポートするコンピューティング システムを構築する必要があります。これらの目標が達成されれば、ストレージ コストとシステムの複雑さの削減に関して、IT に対する最終的な成果が大きくなる可能性があります。

SFF-TA-1001仕様の登場により¹(U.3 とも呼ばれる) に対応して、ストレージ業界は、現在および将来のアプリケーション要件に合わせてストレージを構成することに近づいています。 U.3 は、SFF-TA-1001 仕様への準拠を指す用語であり、SFF-8639 モジュール仕様への準拠も必要とします。²。 U.3 に基づくソリューションは、単一のバックプレーンとコントローラーを利用し、3 つのサーバー スロットから 3 つのドライブ インターフェイス (SAS、SATA、および PCIe®) をすべてサポートするトライモード構成で実現できます。インターフェイスに関係なく、SAS と SATA SSD とハード ドライブ、および NVMe™SSD は、U.XNUMX ベースのサーバー内で交換可能であり、同じ物理スロットで使用できます。U.XNUMX は、ストレージの初期投資を保護しながら、多くの業界のニーズに対応します。

業界の課題

今日のサーバー ストレージ アーキテクチャは、混合または階層化された環境にどのように対応するかという点で課題を抱えています。特定のサーバー内では、ワークロードのニーズに応じて、ストレージにはさまざまなインターフェイスで構成されたハード ドライブと SSD の組み合わせが必要になる場合があります。たとえば、エンジニアリング チームは、開発環境でコードをテストするために高速 NVMe ドライブを必要とする場合があります。別のワークグループでは、収益を生み出すデータベースの高可用性とフォールト トレランスを実現するために SAS ドライブが必要な場合があります。また、別のグループは、コールド データをリアルタイムで分析するために、容量が最適化された SATA ドライブまたはバリュー SAS ドライブに依存する場合があります。アプリケーションが何であれ、サーバーの一部をセグメント化してさまざまな使用例に対応できます。

サーバー設計の観点から U.3 がなければ、OEM は利用可能なすべてのドライブ インターフェイスに対応するために複数のバックプレーン、ミッドプレーン、コントローラーを開発する必要があるため、顧客が選択できる SKU と購入オプションが非常に豊富になります。

SAS インターフェイスにより、エンタープライズ SATA SSD および HDD を SAS バックプレーン、HBA、または RAID コントローラーに接続できるようになり、ドライブの統合が最初の一歩を踏み出しました。この機能は現在も継続されており、ほとんどのサーバーには SAS HBA または RAID カードが付属しており、SAS と SATA SSD/HDD を同じドライブ ベイで使用できるようになります。 SATA ドライブは SAS ドライブと簡単に交換できますが、NVMe SSD はサポートされておらず、NVMe 対応バックプレーンを利用する別の構成が依然として必要でした (図 1)。

図 1 は、SAS、SATA、および PCIe インターフェイスに必要な個別のバックプレーンを示しています

ドライブ統合戦略の一環としての NVMe SSD のサポートは、SAS および SATA SSD に比べてパフォーマンスが大幅に向上するため、NVMe SSD の導入が増加しているため、非常に重要です。企業における NVMe SSD のユニット消費量 (データセンターとエンタープライズ バージョンの両方を含む) は、42.5 年末までに全 SSD の 2019% 以上を占めると予想されます³。企業における単位消費量は、75 年末までに 2021% 以上に増加し、91 年末までに 2023% 以上に増加すると予想されます。³。現在、NVMe ベースのサーバー、インフラストラクチャ、および RAID コントローラーのオプションは初期段階にあり、成熟した堅牢なレベルのフォールト トレランスとパフォーマンスを提供するには、多くのデータ センターが SAS ベースの RAID ハードウェアを引き続き使用する必要があります。 NVMe ストレージに直接移行するには、通常、NVMe 固有のバックプレーンとコントローラーを使用する新しい NVMe 対応サーバーを購入する必要があります。

8639 つの共通インフラストラクチャで 8639 つの SSD プロトコルすべてをサポートする次のステップは、SFF-8639 モジュール仕様の開発と併せて SFF-2 コネクタが利用可能になったことです。このコネクタは、NVMe SSD の場合は最大 8639 レーンの PCIe、SAS/SATA HDD または SSD の場合は最大 XNUMX レーンの PCIe をサポートするように設計されています。 SFF-XNUMX モジュール仕様への準拠は U.XNUMX として指定されています。 SFF-XNUMX コネクタのレセプタクル バージョンはサーバーのバックプレーンに取り付けられ、XNUMX つのドライブ インターフェイスすべてをサポートしますが、ベイが両方にプロビジョニングされていない限り、NVMe ドライブと SAS/SATA ドライブは交換できません。 NVMe SSD をサポートするには、別途 NVMe 対応バックプレーンが必要でした。

ドライブ統合は U.3 に進化しました。U.8639 では、トライモード バックプレーンおよびコントローラーと使用する場合、SAS、SATA、および NVMe ドライブがすべて 2 つの SFF-8639 コネクタを通じてサポートされ (図 2)、また SFF-8639 モジュールにも準拠しています。仕様（U.3）。このアプローチでは、XNUMX つのプロトコルすべてをサポートするために高速レーンが再マッピングされることを除いて、同じ XNUMX コネクタが使用されます。 U.XNUMX 仕様には、マルチプロトコルを受け入れるデバイス コネクタのピン配置と使用法が含まれており、 ストレージネットワーク産業協会 (SNIA) SSD フォーム ファクター (SFF) テクニカル アフィリエイト (TA)。この仕様は 2017 年 XNUMX 月に承認されました。

図 2 は、SAS、SATA、および PCIe インターフェイスの U.3 トライモード ユニバーサル ストレージ構成を示しています。

主要な U.3 コンポーネント

U.3 トライモード プラットフォームは、単一のバックプレーン設計と、SFF-TA-8639 仕様で定義されている改訂された配線を備えた SFF-1001 コネクタを通じて、同じサーバー スロットから NVMe、SAS、および SATA ドライブに対応できます。プラットフォームは次の要素で構成されます。(1) トライモード コントローラー。 (2) SFF-8639 コネクタ (ドライブ用に 3 つ、バックプレーン用に XNUMX つ)。 (XNUMX) ユニバーサル バックプレーン管理フレームワーク。

トライモードコントローラー

トライモード コントローラーは、ホスト サーバーとドライブ バックプレーン間の接続を確立し、SAS、SATA、および NVMe ストレージ プロトコルをサポートします。ストレージ プロセッサ、キャッシュ メモリ、およびストレージ デバイスへのインターフェイス接続を備えています。ストレージ アダプタは 3 つのインターフェイスすべてをサポートし、単一の物理接続を通じて 3 つのプロトコルの電気信号を駆動します。コントローラ内の「自動検知」機能により、3 つのインターフェイス プロトコルのうちどれがコントローラによって現在サービスされているかが決まります。

設計の観点から見ると、トライモード コントローラーにより、OEM は SAS および SATA プロトコル専用の 1 つのコントローラーと NVMe 用の別のコントローラーを使用する必要がなくなります。 SAS、SATA、および NVMe ドライブ プロトコルの共通ベイ サポートを可能にする簡素化された制御を実現します。この柔軟性により、複数のドライブ タイプを組み合わせて、SAS および SATA SSD/HDD、さらに NVMe SSD と組み合わせることができます。

SFF-8639 コネクタ

SFF-8639 コネクタを使用すると、バックプレーン上の特定のドライブ スロットを 1001 本のケーブルに接続できるため、SAS、SATA、または NVMe デバイスへのアクセスを提供し、トライモード ホストによって駆動される適切な通信プロトコルを決定できます。 SFF-TA-3 (U.3) 仕様は、ピンの使用法とスロット検出を定義することでコンポーネントを結び付け、NVMe と SAS/SATA ストレージの両方を受け入れるバックプレーン レセプタクルの設計時に発生するホストとバックプレーンの配線の問題に対処します。デバイス (図 XNUMX)。

図 3 は、U.3 トライモード コネクタへの進化を示しています。

SFF-TA-1001 仕様は、ホストがタイプを識別するための信号と、デバイスがその構成 (デュアルポート PCIe など) を識別するための信号を使用して、SFF-8639 コネクタ上の XNUMX つのインターフェイス タイプをサポートしています。

U.3 により、NVMe アダプターと SAS/SATA アダプターを個別に使用する必要がなくなり、OEM はトレース、ケーブル、コネクタを減らしてバックプレーン設計を簡素化できます。これにより、より少ないコンポーネントでバックプレーンを構築することに関連したコスト上の利点が得られ、OEM サーバーとコンポーネント SKU が全体的に簡素化されます。 U.3 ベースのデバイスは、U.2 ホストとの下位互換性がある必要があります。

ユニバーサルバックプレーン管理フレームワーク

ユニバーサル バックプレーン管理 (UBM) フレームワークは、SAS、SATA、および NVMe バックプレーンを管理および制御するための共通の方法を定義および提供します (図 4)。これも、SSD フォーム ファクター ワーキング グループによって承認された仕様 SFF-TA-1005 に基づいて開発されました。⁴また、インターフェイス プロトコル (SAS、SATA、または NVMe) やストレージ メディア (HDD または SSD) に関係なく、すべてのサーバー ストレージにわたって同一の管理フレームワークを提供します。

図 4 は、U.3 バックプレーンとベイの管理に必要な XNUMX つのドメインのみを示しています

出典: ブロードコム® （株）⁵

この管理フレームワークにより、ユーザーはドライバーやソフトウェア スタックに必要な変更を加えることなく SAS、SATA、および NVMe デバイスを管理できるようになり、NVMe プロトコル、特に U.3 の動作にとって重要な多数のシステム レベルのタスクに対処できます。この管理には、次の機能が含まれます。

• 正確なシャーシ スロットの位置を提供します。 この機能により、UBM フレームワークにより、ユーザーは交換が必要なストレージ ドライブの場所を簡単に特定したり、トラブルシューティングに関連して、ドライブ スロット、ケーブル、電源、またはドライブ自体に関連する可能性のある問題を特定したりできます。
• ケーブルの取り付け順序の独立性を有効にします。 トライモード構成ではケーブル全体の長さが非常に重要であるため、トライモード構成に先立ってこの機能に対処するには、ユーザーは特定のケーブルを特定のドライブ スロットに配線する必要がありました。トライモード構成では、すべてのドライブ スロットに多目的ケーブルが接続されるため、この問題は解消されます。
• バックプレーン上の LED パターンを管理します。 UBM フレームワークを使用すると、ユーザーは各ドライブで LED エンコーディングを利用して、ドライブの使用状況、ドライブの障害、電源などを含むドライブのアクティビティの視覚的な信号を送信できます。
• 電力と環境の管理を可能にします。 UBM フレームワークは、応答しないデバイスの電源を入れ直すという主な機能により、スロットとストレージ デバイスへの電源を管理します。
• PCIe リセットを有効にします。 バス レベルでは、ストレージ ドライブが正常に機能しているかどうかに関係なく、PCIe は PCIe ブリッジに接続されているすべてのデバイスをリセットします。 UBM フレームワークを使用すると、ユーザーは特定のドライブ スロットで PCIe リセットをアクティブ化し、必要なドライブのみをリセットできます。
• クロッキング モードを有効にします。 PCIe 3.0 および PCIe 4.0 によって提供されるデータ レートが高速になると、これらの高速でクロッキングをサポートすることがさらに難しくなります。 UBM フレームワークは、従来の PCIe クロック ネットワークを使用するか、クロック信号を高速信号に直接埋め込むようにストレージ デバイスを構成できます。埋め込みクロック信号は、高速信号伝達に伴う電磁干渉の低減に大きな効果をもたらし、その結果、非常に柔軟なクロッキングが実現します。

UBM フレームワークでは、バックプレーンを記述することでコントローラーが PCIe レーンを動的に分割できるため、U.3 x1、x2、および x4 配線がすべて可能になります。また、他のサイドバンド信号 (CLKREQ や WAKE など) からの単一の PREST 信号 (PCIe リセット) を、2×2 および 4×1 配線の複数の独立した発生に制御する方法も提供します。 UBM は、2×2 および 4×1 配線用の基準クロック (REFCLK) 制御も提供します。 UBM は単独で動作できるフレームワークとして設計されていますが、UBM が実装されると U.3 の能力が最大限に発揮されます。その結果、より優れた構成可能性と真のシステム柔軟性を可能にするユニバーサル バックプレーン管理システムが実現します。

U.3 プラットフォームと SSD の可用性

SFF-TA-1001 仕様の批准により、このテクノロジー プラットフォームを前進させるためのソリューションを開発する主要なサーバー、コントローラー、SSD ベンダーとともに U.3 エコシステムが進化しました。たとえば、トライモード コントローラーを備えたサーバーと関連するバックプレーンは、一部の Tier 1 サーバー OEM によって実装されています。最初のシステムの提供は、階層 1 および階層 2 のサーバー OEM を通じて行われ、その後、幅広いチャネルで提供される予定です。

コントローラーの観点から見ると、ほとんどの RAID/HBA ベンダーは、トライモード機能と U.3 動作のサポートを備えたコントローラーを開発しています。

SSD の観点から見ると、キオクシア (旧東芝メモリ)、サムスン、シーゲイト、SK ハイニックスの 4 つのドライブ ベンダーがこのイベントに参加することに成功しました。 最初の U.3 プラグフェスト 2019年1001月にニューハンプシャー大学の相互運用性研究室で開催されました。これらの SSD ベンダーのうち、キオクシアは Flash Memory Summit 3 で最初に SFF-TA-2019 (U.XNUMX) SSD のデモを行いました。

まとめ

ビッグデータの増大と高速データの高速化に加え、人工知能、機械学習、さらにはコールドデータ分析などの計算集約型アプリケーションも相まって、データストレージにおけるより高いパフォーマンスのニーズが飛躍的に高まっています。現在のアプリケーションの使用状況、ワークロードのサイズ、パフォーマンスのニーズ、および容量の予想を予測することは非常に困難ですが、今後数年間の使用状況を予測すると、その課題は新たなレベルに引き上げられます。

U.3 トライモード アプローチは、同じ SFF-2 コネクタを使用する U.8639 仕様に基づいて構築されています。このアプローチでは、SAS、SATA、および NVMe のサポートをサーバー内の単一のコントローラーに統合し、SAS SSD/HDD、SATA SSD/HDD、および NVMe SSD の組み合わせを可能にする UBM システムによって管理されます。 U.3 は、次のような膨大なメリットを提供します。

• ストレージ用の単一のバックプレーン、コネクタ、およびコントローラ
  • サポートされているプロトコルごとに個別のコンポーネントを排除
  • デバイス間のホットスワップを有効にします (デバイスがサポートしている場合)
  • 1 つのドライブ スロットから SAS/SATA/NVMe サポートを提供
  • 使用するケーブル配線、トレース、コンポーネントの数を減らすことで、全体的なストレージ コストを削減します。
  • 優れたストレージ構成可能性と真のシステム柔軟性を実現
• 高性能
  • U.64 ドライブ ベイで SATA SSD を NVMe/PCIe Gen3 x1 SSD に置き換えると、ドライブ ベイの帯域幅と IOPS パフォーマンスが 3% 向上します。⁶
  • SATA = 13GB/秒のスループットを前提として、U.4 ドライブ ベイで SATA SSD を NVMe/PCIe Gen4 x3 SSD に交換すると、ベイ能力​​のパフォーマンスが 0.6 倍向上します。 x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98GB/秒;および PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76GB/秒⁶
• マネジメント
  • UBM を介して、すべてのサーバー ストレージ プロトコルにわたって同じ管理ツールを提供します
• ユニバーサルコネクティビティ
  • SAS および SATA の接続の利点を NVMe に拡張します。
  • プロトコル固有のアダプターの必要性を排除します。
  • U.2- (SFF-8639 モジュール) または U.3- (SFF-TA-1001) 準拠のドライブを同じストレージ アーキテクチャで使用できるようにします
  • ユニバーサル バックプレーンと共有ケーブル インフラストラクチャによりシステム コストを削減
  • システム購入の複雑さを軽減します (「間違った」バックプレーンとストレージ アダプタを選択する可能性を排除します)

U.3 プラットフォームは、TCO 支出の削減、ストレージ導入の複雑さの軽減、SATA、SAS、NVMe 間の実行可能な代替パスの提供、現在の U.2 NVMe ベースのプラットフォームとの下位互換性の維持など、多くの業界のニーズに対応します。顧客の初期ストレージ投資を保護します。

著者について：

John Geldman は、KIOXIA America, Inc. (旧 Toshiba Memory America, Inc.) の SSD 業界標準担当ディレクターであり、ストレージ標準化活動を主導しています。彼は現在、JEDEC、NVM Express、PCI-SIG、SATA、SFF、SNIA、T10、T13、TCG に関する標準化活動に携わっています。彼は XNUMX 年以上にわたり、NAND フラッシュ メモリ、ハード ドライブ ストレージ、Linux を対象とした標準化活動に貢献してきました。™、ネットワーク、セキュリティ、IC 開発。 John は、CompactFlash、SD Card Association、USB、UFSA、IEEE 1667、JEDEC、T10、および T13 の取締役、役員、委員長、または仕様の編集を行っており、現在は NVM Express の取締役会のメンバーを務めています。株式会社

 

ジョン・ゲルドマン、キオクシア

リック・クティパルBroadcom Inc. のデータ センター ストレージ グループのマーケティング マネージャーであり、コンピュータおよびデータ ストレージ ビジネスに 25 年の経験を持つベテランです。彼は、Broadcom の世界的なストレージ標準活動の大部分を調整しています。 Broadcom に入社する前は、LSI Logic で製品マネージャーとして 15 年近くを過ごし、業界初の 12Gb/s SAS エクスパンダの立ち上げに貢献しました。リックはキャリアの初期に、Evans & Sutherland 向けに高度なチップとボード レベルのシステムを設計しました。現在、Rick は SCSI Trade Association (STA) の理事を務めており、SAS テクノロジーの定義と推進において影響力のある役割を果たしています。

リック・クティパル、ブロードコム

Cameron Brett は、KIOXIA America, Inc. (旧東芝メモリ アメリカ Inc.) のエンタープライズ マーケティング ディレクターであり、エンタープライズ SSD、ソフトウェア、メモリ製品のアウトバウンド マーケティングとメッセージングを担当しています。彼は、NVM Express マーケティング ワークグループの共同議長としてキオクシアを代表し、SCSI Trade Association (STA) の取締役会メンバーおよび会長、さらに Storage Networking Industry Association (SNIA) SSD SIG の共同議長も務めています。 Cam はストレージ業界で 20 年のベテランであり、これまでに東芝メモリ、PMC-Sierra、QLogic、Broadcom、Adaptec で製品マーケティングおよび管理職を務めてきました。

キャメロン・ブレット、キオクシア

商標：

Broadcom は Broadcom Inc. の登録商標です。Linux は Linus Torvalds の商標です。 NVMe および NVM Express は、NVM Express, Inc. の商標です。 PCIe は PCI-SIG の登録商標です。 SCSI は SCSI, LLC の商標です。その他すべての商標または登録商標は、それぞれの所有者の財産です。

注意：

¹SFF-1001 の SFF-TA-4 ユニバーサル x8639 リンク定義仕様は、次の場所で入手できます。 http://www.snia.org/sff/specifications.

²SFF-8639 モジュールの仕様は次の場所で入手できます。 http://www.pcisig.com/specifications.

³ 出典: IDC。 – 「Worldwide Solid State Drive Forecast Update, 2019-2023, Market Forecast Table 12」、Jeff Janukowicz、2019 年 44492119 月、IDC #XNUMX。

⁴SFF-TA-1005 Universal Backplane Management (UBM) 仕様は、以下から入手できます。 http://www.snia.org/sff/specifications.

⁵出典: Broadcom Inc. – 「SAS、SATA、および NVMe ドライブ ベイの管理のための共通方法 – SFF-TA-1005 別名 UBM: ユニバーサル ベイ管理」。

⁶パフォーマンス数値は、コネクタ上で動作するインターフェイスの物理的な能力を表すものであり、ホスト バス アダプタやストレージ デバイスの能力を表すものではありません。

製品画像のクレジット:

図 1: SAS/SATA と PCIe の個別のストレージ構成:

1. SAS エクスパンダ: 出典 = Avago Technologies – Avago Technologies 12Gb/s SAS エクスパンダ、SAS35x48
2. SAS HBA: 出典 = Broadcom Inc. – Broadcom 9400-8i SAS 12Gb/s ホスト バス アダプター
3. PCIe スイッチ: 出典 = Broadcom Inc. – Broadcom PEX88096 PCIe ストレージ スイッチ
4. SSD: 出典 = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps エンタープライズ SAS SSD、RM5 12Gbps バリュー SAS SSD、HK6 エンタープライズ SATA SSD、CM6 PCIe 4.0 エンタープライズ NVMe SSD、および CD6 PCIe 4.0 データセンター NVMe SSD

図 2: トライモード / ユニバーサル バックプレーン:

1. トライモード コントローラー: 出典 = Broadcom Inc. — Broadcom 9400-16i トライモード ストレージ アダプタ
2. SSD: 出典 = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps エンタープライズ SAS SSD、RM5 12Gbps バリュー SAS SSD、HK6 エンタープライズ SATA SSD、CM6 PCIe 4.0 エンタープライズ NVMe SSD、および CD6 PCIe 4.0 データセンター NVMe SSD