Evoluerende opslag met SFF-TA-1001 (U.3) universele schijfposities

IT-afdelingen worden uitgedaagd om dataopslag te kiezen en te configureren om te voldoen aan de huidige en toekomstige datacenter-, systeem- en eindgebruikersvereisten voor hun organisaties. Ze moeten het applicatiegebruik, de omvang van de werklast, de prestatiebehoeften en de capaciteitsverwachtingen voor de komende jaren voorspellen. Het bepalen van deze vereisten en het vervolgens implementeren van een opslagstrategie die aan deze behoeften voor vandaag en morgen voldoet, is een enorme onderneming voor elke IT-afdeling.

IT-afdelingen worden uitgedaagd om dataopslag te kiezen en te configureren om te voldoen aan de huidige en toekomstige datacenter-, systeem- en eindgebruikersvereisten voor hun organisaties. Ze moeten het applicatiegebruik, de omvang van de werklast, de prestatiebehoeften en de capaciteitsverwachtingen voor de komende jaren voorspellen. Het bepalen van deze vereisten en het vervolgens implementeren van een opslagstrategie die aan deze behoeften voor vandaag en morgen voldoet, is een enorme onderneming voor elke IT-afdeling.

Naarmate de technologie evolueert, vormen upgrades van het opslagsysteem een ​​andere uitdaging voor IT en worden doorgaans beperkt door de oorspronkelijke hardwareaankoop. Als er bijvoorbeeld een op SATA gebaseerde opslaginfrastructuur was geïmplementeerd, zouden alle hardware-upgrades, inclusief de backplane van de server, de opslagcontroller en vervangende schijven, op SATA of mogelijk op SAS moeten zijn gebaseerd. Om opslag naar het volgende niveau te laten evolueren, moeten computersystemen worden gebouwd om vereiste applicaties te ondersteunen met behulp van huidige en toekomstige bronnen. Als deze doelstellingen worden bereikt, kan het eindresultaat voor IT aanzienlijk zijn met betrekking tot verlagingen van opslagkosten en systeemcomplexiteit.

Met de komst van de SFF-TA-1001-specificatie¹(ook bekend als U.3), komt de opslagindustrie dichter bij het configureren van opslag voor huidige en toekomstige toepassingsvereisten. U.3 is een term die verwijst naar naleving van de SFF-TA-1001-specificatie, die ook naleving van de SFF-8639-modulespecificatie vereist². Oplossingen die zijn gebaseerd op U.3 kunnen worden bereikt met een tri-mode configuratie die gebruikmaakt van een enkele backplane en controller, die alle drie de schijfinterfaces ondersteunt (SAS, SATA en PCIe® vanaf één serverslot. Ongeacht de interface, SAS en SATA SSD's en harde schijven, evenals NVMe™SSD's, zijn uitwisselbaar binnen op U.3 gebaseerde servers en kunnen in hetzelfde fysieke slot worden gebruikt.U.3 komt tegemoet aan een aantal industriële behoeften, terwijl de initiële opslaginvestering wordt beschermd.

Industrie-uitdaging

De hedendaagse serveropslagarchitecturen worden uitgedaagd door de manier waarop ze geschikt zijn voor gemengde of gelaagde omgevingen. Binnen een bepaalde server kunnen voor opslag combinaties van harde schijven en SSD's nodig zijn die zijn geconfigureerd met verschillende interfaces, afhankelijk van de behoeften van de werklast. Een technisch team kan bijvoorbeeld snelle NVMe-schijven nodig hebben om code in hun ontwikkelomgeving te testen. Een andere werkgroep heeft mogelijk SAS-schijven nodig om een ​​hoge beschikbaarheid en fouttolerantie te bereiken voor hun inkomstengenererende database. En een andere groep vertrouwt misschien op capaciteit-geoptimaliseerde SATA-schijven of waardevolle SAS-schijven voor het analyseren van koude gegevens in realtime. Wat de toepassing ook is, delen van de server kunnen worden gesegmenteerd om de verschillende gebruikssituaties aan te pakken.

Zonder U.3 vanuit een serverontwerpperspectief moeten OEM's meerdere backplanes, mid-planes en controllers ontwikkelen om alle beschikbare drive-interfaces te accommoderen, wat een uitdagende overvloed aan SKU's en aankoopopties voor klanten creëert om uit te kiezen.

Schijfconsolidatie zette een eerste stap voorwaarts toen de SAS-interface SATA SSD's en HDD's van ondernemingen in staat stelde verbinding te maken met SAS-backplanes, HBA's of RAID-controllers. Deze mogelijkheid bestaat nog steeds, aangezien de meeste servers worden geleverd met SAS HBA's of RAID-kaarten waarmee SAS en SATA SSD's/HDD's in dezelfde schijfpositie kunnen worden gebruikt. Hoewel SATA-schijven gemakkelijk kunnen worden verwisseld met SAS-schijven, was er geen ondersteuning voor NVMe SSD's omdat ze nog steeds een aparte configuratie vereisten die gebruikmaakt van een NVMe-enabled backplane (Afbeelding 1).

Afbeelding 1 geeft afzonderlijke backplanes weer die nodig zijn voor SAS-, SATA- en PCIe-interfaces

Ondersteuning voor NVMe SSD's als onderdeel van de schijfconsolidatiestrategie is uiterst belangrijk, aangezien deze implementaties in opkomst zijn vanwege de aanzienlijke prestatieverbeteringen die ze bieden ten opzichte van SAS- en SATA SSD's. Het verbruik per eenheid van NVMe SSD's in de onderneming (inclusief zowel datacenter- als bedrijfsversies) zal naar verwachting eind 42.5 meer dan 2019% van alle SSD's vertegenwoordigen³. Het verbruik per eenheid in de onderneming zal toenemen tot meer dan 75% tegen eind 2021 en meer dan 91% tegen eind 2023³. Op dit moment bevinden NVMe-gebaseerde server-, infrastructuur- en RAID-controlleropties zich in de beginfase, waardoor veel datacenters SAS-gebaseerde RAID-hardware moeten blijven gebruiken om een ​​volwassen, robuust niveau van fouttolerantie en prestaties te bieden. Om rechtstreeks naar NVMe-opslag te migreren, is doorgaans de aanschaf van nieuwe NVMe-compatibele servers vereist die een NVMe-specifieke backplane en controller gebruiken.

De volgende stap in het ondersteunen van alle drie de SSD-protocollen met één gemeenschappelijke infrastructuur vond plaats met de beschikbaarheid van de SFF-8639-connector, samen met de ontwikkeling van de SFF-8639-modulespecificatie. Deze connector is ontworpen om maximaal vier lanes PCIe voor NVMe SSD's en maximaal twee lanes voor SAS/SATA HDD's of SSD's te ondersteunen. Naleving van de SFF-8639-modulespecificatie is aangeduid als U.2. De houderversie van de SFF-8639-connector wordt op de backplane van de server gemonteerd en hoewel deze alle drie de schijfinterfaces ondersteunt, zijn NVMe- en SAS/SATA-schijven niet uitwisselbaar, tenzij het compartiment voor beide is ingericht. Er was nog steeds een aparte NVMe-enabled backplane nodig om NVMe SSD's te ondersteunen.

Schijfconsolidatie is nu geëvolueerd naar U.3 waar SAS-, SATA- en NVMe-schijven allemaal worden ondersteund via één SFF-8639-connector bij gebruik met een tri-mode backplane en controller (Afbeelding 2), en ze zijn ook compatibel met de SFF-8639-module specificatie (U.2). Voor deze aanpak wordt dezelfde 8639-connector gebruikt, behalve dat de hogesnelheidsbanen opnieuw zijn toegewezen om alle drie de protocollen te ondersteunen. De U.3-specificatie omvat de pinouts en het gebruik voor een apparaatconnector die meerdere protocollen accepteert, en is ontwikkeld door de Storage Networking Industry Association (SNIA) SSD-vormfactor (SFF) Technical Affiliate (TA). De specificatie is in oktober 2017 geratificeerd.

Afbeelding 2 toont de U.3 tri-mode universele opslagconfiguratie voor SAS-, SATA- en PCIe-interfaces

Belangrijkste U.3-componenten

Het U.3 tri-mode platform is geschikt voor NVMe-, SAS- en SATA-schijven van hetzelfde serverslot via een enkel backplane-ontwerp en een SFF-8639-connector met herziene bedrading zoals gedefinieerd door de SFF-TA-1001-specificatie. Het platform bestaat uit een: (1) Tri-mode controller; (2) SFF-8639-connector (één voor de drive en één voor de backplane); en (3) Universal Backplane Management Framework.

Tri-Mode-controller

De tri-mode controller brengt connectiviteit tot stand tussen de hostserver en de backplane van de schijf en ondersteunt SAS-, SATA- en NVMe-opslagprotocollen. Het beschikt over een opslagprocessor, cachegeheugen en een interfaceverbinding met de opslagapparaten. De opslagadapter ondersteunt alle drie de interfaces en drijft de elektrische signalen voor de drie protocollen aan via een enkele fysieke verbinding. Een 'auto-sense'-mogelijkheid binnen de controller bepaalt welke van de drie interfaceprotocollen momenteel wordt bediend door de controller.

Vanuit een ontwerpperspectief elimineert de tri-mode controller de noodzaak voor OEM's om één controller te gebruiken die speciaal is bedoeld voor SAS- en SATA-protocollen, en een andere controller voor NVMe. Het biedt vereenvoudigde controle die ondersteuning biedt voor gemeenschappelijke bays voor SAS-, SATA- en NVMe-schijfprotocollen. Met deze flexibiliteit kunnen meerdere schijftypen worden gecombineerd met SAS en SATA SSD's/HDD's, evenals NVMe SSD's.

SFF-8639-connector

Met de SFF-8639-connector kan een bepaalde schijfsleuf op de backplane worden aangesloten op een enkele kabel, zodat deze toegang kan bieden tot een SAS-, SATA- of NVMe-apparaat en het juiste communicatieprotocol kan bepalen dat wordt aangestuurd door de tri-mode host. De SFF-TA-1001 (U.3)-specificatie koppelt de componenten aan elkaar door pingebruik en slotdetectie te definiëren, en lost problemen met host- en backplanebedrading op die optreden bij het ontwerpen van een backplane-aansluiting die zowel NVMe- als SAS/SATA-opslag accepteert apparaten (Figuur 3).

Afbeelding 3 toont de evolutie naar een U.3 tri-mode connector

De SFF-TA-1001-specificatie ondersteunt de drie interfacetypen op de SFF-8639-connector met signalen voor de host om het type te identificeren, en met signalen voor het apparaat om de configuratie te identificeren (bijv. dual-port PCIe).

U.3 elimineert de behoefte aan afzonderlijke NVMe- en SAS/SATA-adapters, waardoor OEM's hun backplane-ontwerpen kunnen vereenvoudigen met minder sporen, kabels en connectoren. Dit resulteert in een kostenvoordeel dat gepaard gaat met het bouwen van backplanes met minder componenten, evenals een algehele vereenvoudiging van OEM-server en component-SKU's. Apparaten die op U.3 zijn gebaseerd, moeten achterwaarts compatibel zijn met U.2-hosts.

Universeel Backplane Management Framework

Het UBM-framework (Universal Backplane Management) definieert en biedt een gemeenschappelijke methode voor het beheren en besturen van SAS-, SATA- en NVMe-backplanes (Afbeelding 4). Het is ook ontwikkeld door de SSD Form Factor Working Group onder de geratificeerde specificatie SFF-TA-1005⁴en biedt een identiek beheerframework voor alle serveropslag, ongeacht het interfaceprotocol (SAS, SATA of NVMe) of de opslagmedia (HDD's of SSD's).

Afbeelding 4 toont slechts één domein dat vereist is voor U.3-backplane en bay-beheer

Bron: Broadcom® Inc⁵

Het beheerframework stelt gebruikers in staat om SAS-, SATA- en NVMe-apparaten te beheren zonder de vereiste wijzigingen aan stuurprogramma's of softwarestacks, en lost een aantal taken op systeemniveau op die belangrijk zijn voor het NVMe-protocol, en in het bijzonder voor de werking van U.3. Dit beheer omvat de mogelijkheid om:

• Geef exacte locaties van chassisslots op. Voor deze mogelijkheid stelt het UBM-framework gebruikers in staat om eenvoudig te identificeren waar opslagschijven die moeten worden vervangen zich bevinden, of, als het gaat om het oplossen van problemen, om mogelijke problemen te identificeren die kunnen worden geassocieerd met schijfsleuven, kabels, voeding of de schijven zelf.
• Maak onafhankelijkheid van kabelinstallatievolgorde mogelijk. Om deze mogelijkheid aan te pakken voorafgaand aan de tri-mode configuratie, moesten gebruikers specifieke kabels naar specifieke drive-slots leggen, aangezien de totale kabellengte uiterst belangrijk was in deze configuraties. In de tri-mode configuratie is een kabel voor meervoudig gebruik aangesloten op alle schijfsleuven, waardoor dit probleem wordt verholpen.
• Beheer LED-patronen op het backplane. Het UBM-framework stelt gebruikers in staat om LED-codering op elke schijf te gebruiken die een zichtbaar signaal geeft van schijfactiviteit, waaronder schijfgebruik, schijfstoringen, voeding, enz.
• Schakel stroom- en omgevingsbeheer in. Het UBM-framework beheert de stroom naar een slot en opslagapparaat met als hoofdfunctie het uit- en weer inschakelen van een niet-reagerend apparaat.
• Schakel PCIe-resets in. Op busniveau reset PCIe elk apparaat dat op een PCIe-brug is aangesloten, ongeacht of de opslagstations normaal functioneren of niet. Het UBM-framework stelt gebruikers in staat om PCIe-resets op specifieke schijfslots te activeren, waarbij alleen de schijven worden gereset die dit nodig hebben.
• Schakel klokmodi in. Met hogere datasnelheden geleverd door PCIe 3.0 en PCIe 4.0, wordt klokken moeilijker te ondersteunen bij deze hogere snelheden. Het UBM-framework kan opslagapparaten configureren om ofwel een traditioneel PCIe-kloknetwerk te gebruiken of kloksignalen rechtstreeks in de hogesnelheidssignalen in te bedden. Geïntegreerde kloksignalen kunnen een aanzienlijk effect hebben bij het verminderen van de elektromagnetische interferentie die gepaard gaat met snelle signalering, wat resulteert in zeer flexibele klokken.

Het UBM-framework stelt een controller in staat om de PCIe-banen dynamisch te verdelen door de backplane te beschrijven, zodat U.3 x1-, x2- en x4-bedrading allemaal mogelijk is. Het biedt ook een manier om het enkele PERST-signaal (PCIe-reset) van andere zijbandsignalen (zoals CLKREQ en WAKE) te regelen in meerdere onafhankelijke gebeurtenissen voor 2×2- en 4×1-bedrading. UBM biedt ook referentieklok (REFCLK) controle voor 2×2 en 4×1 bedrading. Hoewel UBM is ontworpen als een raamwerk dat op zichzelf kan werken, ontgrendelt het de volledige kracht van U.3 wanneer de UBM wordt geïmplementeerd. Het eindresultaat is een universeel backplane-beheersysteem dat meer configureerbaarheid en echte systeemflexibiliteit mogelijk maakt.

U.3 Platform en SSD-beschikbaarheid

Met de ratificatie van de SFF-TA-1001-specificatie is er een U.3-ecosysteem ontstaan ​​met toonaangevende server-, controller- en SSD-leveranciers die oplossingen ontwikkelen om dit technologieplatform vooruit te helpen. Servers met tri-mode controllers en bijbehorende backplanes worden bijvoorbeeld geïmplementeerd door sommige tier 1-server-OEM's. De eerste systeembeschikbaarheid zal naar verwachting plaatsvinden via tier 1- en tier 2-server-OEM's, gevolgd door een breed kanaalaanbod.

Vanuit een controllerperspectief ontwikkelen de meeste RAID/HBA-leveranciers controllers met tri-mode-mogelijkheden en ondersteuning voor U.3-werking.

Vanuit een SSD-perspectief hebben vier leveranciers van schijven, KIOXIA (voorheen Toshiba Memory), Samsung, Seagate en SK Hynix, met succes deelgenomen aan de eerste U.3 Plugfest in juli 2019 gehouden in het Interoperability Lab van de University of New Hampshire. Van deze SSD-leveranciers was KIOXIA de eerste die SFF-TA-1001 (U.3) SSD's demonstreerde op Flash Memory Summit 2019.

Samengevat

Nu big data steeds groter wordt en snelle data steeds sneller, in combinatie met rekenintensieve toepassingen, zoals kunstmatige intelligentie, machine learning en zelfs cold data-analyse, neemt de behoefte aan betere prestaties in dataopslag met grote sprongen toe. Het is een behoorlijke uitdaging om het huidige applicatiegebruik, de omvang van de werklast, de prestatiebehoeften en de capaciteitsverwachtingen te voorspellen, maar het voorspellen van het gebruik voor de komende jaren brengt de uitdaging naar een nieuw niveau.

De U.3 tri-mode benadering bouwt voort op de U.2-specificatie met dezelfde SFF-8639-connector. Deze aanpak combineert SAS-, SATA- en NVMe-ondersteuning in een enkele controller in een server, beheerd door een UBM-systeem waarmee SAS SSD's/HDD's, SATA SSD's/HDD's en NVMe SSD's kunnen worden gecombineerd. U.3 biedt een enorm scala aan voordelen, waaronder:

• Enkele backplane, connector en controller voor opslag
  • Elimineert afzonderlijke componenten voor elk ondersteund protocol
  • Maakt hot-swapping tussen apparaten mogelijk (als het apparaat dit ondersteunt)
  • Biedt SAS/SATA/NVMe-ondersteuning vanaf één schijfsleuf
  • Verlaagt de totale opslagkosten door minder bekabeling, minder sporen en minder componenten te gebruiken
  • Levert meer opslagconfiguratiemogelijkheden en echte systeemflexibiliteit
• high performance
  • Levert 64% meer drive bay-bandbreedte en IOPS-prestaties wanneer een SATA SSD wordt vervangen door een NVMe/PCIe Gen3 x1 SSD in een U.3 drive bay⁶
  • Levert 13x bay capaciteit prestatieverbetering wanneer een SATA SSD wordt vervangen door een NVMe/PCIe Gen4 x4 SSD in een U.3 drive bay gegeven doorvoer van SATA = 0.6GB/s; x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98 GB/s; en PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76 GB/s⁶
• Management
  • Biedt via UBM dezelfde beheertools voor alle serveropslagprotocollen
• Universele connectiviteit
  • Breidt de connectiviteitsvoordelen van SAS en SATA uit naar NVMe
  • Elimineert de behoefte aan protocolspecifieke adapters
  • Maakt het gebruik van U.2- (SFF-8639-module) of U.3- (SFF-TA-1001)-compatibele schijven mogelijk in dezelfde opslagarchitectuur
  • Verlaagt de systeemkosten door een universele backplane en gedeelde bekabelingsinfrastructuur
  • Verlaagt de complexiteit van de systeemaankoop (verwijdert de mogelijkheid om de 'verkeerde' backplane en opslagadapters te selecteren

Het U.3-platform beantwoordt aan een aantal behoeften van de industrie: verlaging van de TCO-uitgaven, vermindering van de complexiteit van opslagimplementaties, het bieden van een levensvatbaar vervangingspad tussen SATA, SAS en NVMe, behoud van achterwaartse compatibiliteit met de huidige op U.2 NVMe gebaseerde platforms, en dat alles terwijl bescherming van de initiële opslaginvestering van de klant.

Over de Auteurs:

John Geldman is de directeur van SSD Industry Standards bij KIOXIA America, Inc. (voorheen Toshiba Memory America, Inc.) en leidt de activiteiten op het gebied van opslagstandaarden. Hij is momenteel betrokken bij standaardactiviteiten met betrekking tot JEDEC, NVM Express, PCI-SIG, SATA, SFF, SNIA, T10, T13 en TCG. Hij draagt ​​al meer dan drie decennia bij aan standaardactiviteiten op het gebied van NAND-flashgeheugen, opslag op harde schijven en Linux™, netwerken, beveiliging en IC-ontwikkeling. John heeft in het bestuur gezeten, functioneerde, was voorzitter van of bewerkte specificaties voor CompactFlash, de SD Card Association, USB, UFSA, IEEE 1667, JEDEC, T10 en T13, en is momenteel lid van de raad van bestuur van NVM Express, Inc.

 

John Geldman, KIOXIA

Rick Kutcipal isa Marketing Manager in de Data Center Storage Group bij Broadcom Inc., en is een 25-jarige veteraan op het gebied van computer- en gegevensopslag. Hij coördineert de meeste activiteiten op het gebied van wereldwijde opslagstandaarden voor Broadcom. Voordat hij bij Broadcom kwam, werkte Rick bijna 15 jaar bij LSI Logic als productmanager en speelde hij een belangrijke rol bij de lancering van de eerste 12Gb/s SAS-expander in de branche. Eerder in zijn carrière ontwierp Rick geavanceerde chips en systemen op bordniveau voor Evans & Sutherland. Tegenwoordig is Rick lid van de raad van bestuur van de SCSI Trade Association (STA) en speelt hij een invloedrijke rol bij het definiëren en promoten van SAS-technologie.

Rick Kutcipal, Broadcom

Cameron Brett is de directeur van Enterprise Marketing bij KIOXIA America, Inc. (voorheen Toshiba Memory America, Inc.) en is verantwoordelijk voor de uitgaande marketing en messaging van SSD-, software- en geheugenproducten voor ondernemingen. Hij vertegenwoordigt KIOXIA als medevoorzitter van de NVM Express-marketingwerkgroep, tevens als lid van de raad van bestuur en voorzitter van de SCSI Trade Association (STA), en tevens als medevoorzitter van de Storage Networking Industry Association (SNIA) SSD SIG. Cam is een 20-jarige veteraan in de opslagindustrie en heeft eerdere productmarketing- en managementfuncties bekleed bij Toshiba Memory, PMC-Sierra, QLogic, Broadcom en Adaptec.

Cameron Brett, KIOXIA

handelsmerken:

Broadcom is een gedeponeerd handelsmerk van Broadcom Inc. Linux is een handelsmerk van Linus Torvalds. NVMe en NVM Express zijn handelsmerken van NVM Express, Inc. PCIe is een geregistreerd handelsmerk van PCI-SIG. SCSI is een handelsmerk van SCSI, LLC. Alle andere handelsmerken of geregistreerde handelsmerken zijn het eigendom van hun respectieve eigenaars.

Opmerkingen:

¹De SFF-TA-1001 Universal x4 Link Definition-specificatie voor SFF-8639 is beschikbaar op: http://www.snia.org/sff/specifications.

²De specificatie van de SFF-8639-module is beschikbaar op: http://www.pcisig.com/specifications.

³ Bron: IDC. – “Worldwide Solid State Drive Forecast Update, 2019-2023, Market Forecast Table 12, Jeff Janukowicz, december 2019, IDC #44492119.

⁴De SFF-TA-1005 Universal Backplane Management (UBM)-specificatie is beschikbaar op: http://www.snia.org/sff/specifications.

⁵Bron: Broadcom Inc. – “Algemene methode voor het beheer van SAS-, SATA- en NVMe-drivebays – SFF-TA-1005 ook bekend als UBM: Universal Bay Management.”

⁶De prestatienummers vertegenwoordigen de fysieke mogelijkheden van de interface die over de connector loopt en niet de mogelijkheden van de hostbusadapter of het opslagapparaat.

Credits productafbeelding:

Afbeelding 1: Afzonderlijke opslagconfiguraties voor SAS/SATA en PCIe:

1. SAS-uitbreiding: Bron = Avago Technologies – Avago Technologies 12Gb/s SAS-uitbreiding, SAS35x48
2. SAS HBA: Bron = Broadcom Inc. – Broadcom 9400-8i SAS 12Gb/s hostbusadapter
3. PCIe-switch: bron = Broadcom Inc. – Broadcom PEX88096 PCIe-opslagschakelaar
4. SSD's: Bron = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps enterprise SAS SSD, RM5 12Gbps value SAS SSD, HK6 enterprise SATA SSD, CM6 PCIe 4.0 enterprise NVMe SSD en CD6 PCIe 4.0 datacenter NVMe SSD

Afbeelding 2: Tri-mode / universele backplane:

1. Tri-mode controller: bron = Broadcom Inc. — Broadcom 9400-16i tri-mode opslagadapter
2. SSD's: Bron = KIOXIA America, Inc. – PM5 12Gbps enterprise SAS SSD, RM5 12Gbps value SAS SSD, HK6 enterprise SATA SSD, CM6 PCIe 4.0 enterprise NVMe SSD en CD6 PCIe 4.0 datacenter NVMe SSD