Armazenamento em evolução com baias de unidade universal SFF-TA-1001 (U.3)

Os departamentos de TI enfrentam o desafio de escolher e configurar o armazenamento de dados para atender aos requisitos atuais e futuros de datacenter, sistema e usuário final para suas organizações. Eles precisam prever o uso de aplicativos, tamanhos de carga de trabalho, necessidades de desempenho e expectativas de capacidade para os próximos anos. Determinar esses requisitos e, em seguida, implementar uma estratégia de armazenamento que atenda a essas necessidades atuais e futuras é uma tarefa tremenda para qualquer departamento de TI.

Os departamentos de TI enfrentam o desafio de escolher e configurar o armazenamento de dados para atender aos requisitos atuais e futuros de datacenter, sistema e usuário final para suas organizações. Eles precisam prever o uso de aplicativos, tamanhos de carga de trabalho, necessidades de desempenho e expectativas de capacidade para os próximos anos. Determinar esses requisitos e, em seguida, implementar uma estratégia de armazenamento que atenda a essas necessidades atuais e futuras é uma tarefa tremenda para qualquer departamento de TI.

À medida que a tecnologia evolui, as atualizações do sistema de armazenamento representam outro desafio para a TI e geralmente são limitadas pela compra do hardware original. Por exemplo, se uma infraestrutura de armazenamento baseada em SATA tivesse sido implantada, todas as atualizações de hardware, incluindo o backplane do servidor, o controlador de armazenamento e as unidades de substituição, precisariam ser baseadas em SATA ou possivelmente em SAS. Para que o armazenamento evolua para o próximo nível, os sistemas de computação devem ser criados para dar suporte aos aplicativos necessários usando recursos atuais e futuros. Se esses objetivos forem alcançados, o resultado final para TI pode ser significativo em relação a reduções no custo de armazenamento e complexidades do sistema.

Com o advento da especificação SFF-TA-1001¹(também conhecido como U.3), o setor de armazenamento está se aproximando da configuração do armazenamento para os requisitos de aplicativos atuais e futuros. U.3 é um termo que se refere à conformidade com a especificação SFF-TA-1001, que também exige conformidade com a especificação do Módulo SFF-8639². As soluções baseadas em U.3 podem ser obtidas com uma configuração de modo triplo que utiliza um único backplane e controlador, suportando todas as três interfaces de unidade (SAS, SATA e PCIe® de um slot de servidor. Independentemente da interface, SAS e SATA SSDs e discos rígidos, bem como NVMe™SSDs, são intercambiáveis ​​em servidores baseados em U.3 e podem ser usados ​​no mesmo slot físico. U.3 atende a uma série de necessidades do setor, ao mesmo tempo em que protege o investimento inicial em armazenamento.

Desafio da indústria

As arquiteturas atuais de armazenamento de servidor são desafiadas na forma como acomodam ambientes mistos ou em camadas. Em qualquer servidor específico, o armazenamento pode exigir combinações de discos rígidos e SSDs configurados com interfaces variadas, dependendo das necessidades da carga de trabalho. Por exemplo, uma equipe de engenharia pode exigir drives NVMe rápidos para testar o código em seus ambientes de desenvolvimento. Outro grupo de trabalho pode exigir unidades SAS para obter alta disponibilidade e tolerância a falhas para seu banco de dados gerador de receita. E outro grupo pode contar com unidades SATA com capacidade otimizada ou unidades SAS de valor para analisar dados frios em tempo real. Qualquer que seja o aplicativo, partes do servidor podem ser segmentadas para atender aos diversos casos de uso.

Sem U.3 de uma perspectiva de design de servidor, os OEMs precisam desenvolver vários backplanes, midplanes e controladores para acomodar todas as interfaces de drive disponíveis, o que cria uma abundância desafiadora de SKUs e opções de compra para os clientes escolherem.

A consolidação da unidade deu um passo inicial quando a interface SAS permitiu que SSDs e HDDs SATA empresariais se conectassem a backplanes SAS, HBAs ou controladores RAID. Esse recurso continua hoje, já que a maioria dos servidores vem com HBAs SAS ou placas RAID que permitem que SSDs/HDDs SAS e SATA sejam usados ​​no mesmo compartimento de unidade. Embora as unidades SATA possam ser facilmente trocadas por unidades SAS, não havia suporte para SSDs NVMe, pois eles ainda exigiam uma configuração separada que utiliza um backplane habilitado para NVMe (Figura 1).

A Figura 1 descreve backplanes separados necessários para interfaces SAS, SATA e PCIe

O suporte para SSDs NVMe como parte da estratégia de consolidação da unidade é extremamente importante, pois essas implantações estão aumentando devido às melhorias significativas de desempenho que oferecem em SSDs SAS e SATA. Espera-se que o consumo unitário de SSDs NVMe na empresa (incluindo centros de dados e versões corporativas) represente mais de 42.5% de todos os SSDs até o final de 2019³. O consumo unitário no empreendimento aumentará para mais de 75% até o final de 2021 e mais de 91% até o final de 2023³. No momento, as opções de servidor baseado em NVMe, infraestrutura e controlador RAID estão em seus estágios iniciais, exigindo que muitos datacenters continuem usando hardware RAID baseado em SAS para fornecer um nível robusto e maduro de tolerância a falhas e desempenho. Migrar diretamente para o armazenamento NVMe normalmente requer a compra de novos servidores habilitados para NVMe que usam um painel traseiro e controlador específicos para NVMe.

A próxima etapa no suporte a todos os três protocolos SSD com uma infraestrutura comum ocorreu com a disponibilidade do conector SFF-8639, em conjunto com o desenvolvimento da especificação do módulo SFF-8639. Este conector foi projetado para suportar até quatro faixas de PCIe para SSDs NVMe e até duas faixas para HDDs ou SSDs SAS/SATA. A conformidade com a especificação do Módulo SFF-8639 foi designada como U.2. A versão do receptáculo do conector SFF-8639 é montada no backplane do servidor e, embora suporte todas as três interfaces de unidade, as unidades NVMe e SAS/SATA não são intercambiáveis, a menos que o compartimento tenha sido provisionado para ambos. Um backplane habilitado para NVMe separado ainda era necessário para oferecer suporte a SSDs NVMe.

A consolidação da unidade agora evoluiu para U.3, onde as unidades SAS, SATA e NVMe são todas suportadas por meio de um conector SFF-8639 quando usadas com um backplane e controlador tri-mode (Figura 2) e também são compatíveis com o módulo SFF-8639 especificação (U.2). Para esta abordagem, o mesmo conector 8639 é usado, exceto que as faixas de alta velocidade são remapeadas para suportar todos os três protocolos. A especificação U.3 inclui a pinagem e o uso de um conector de dispositivo de aceitação multiprotocolo e foi desenvolvida pela Associação da Indústria de Redes de Armazenamento (SNIA) Fator de Forma SSD (SFF) Afiliado Técnico (TA). A especificação foi ratificada em outubro de 2017.

A Figura 2 descreve a configuração de armazenamento universal de três modos U.3 para interfaces SAS, SATA e PCIe

Principais componentes U.3

A plataforma U.3 tri-mode pode acomodar unidades NVMe, SAS e SATA do mesmo slot de servidor por meio de um design de backplane único e conector SFF-8639 com fiação revisada, conforme definido pela especificação SFF-TA-1001. A plataforma é composta por: (1) Controlador Tri-mode; (2) Conector SFF-8639 (um para o inversor e outro para o backplane); e (3) Universal Backplane Management Framework.

Controlador Tri-Mode

O controlador tri-mode estabelece conectividade entre o servidor host e o backplane da unidade, suportando os protocolos de armazenamento SAS, SATA e NVMe. Possui um processador de armazenamento, memória cache e uma conexão de interface para os dispositivos de armazenamento. O adaptador de armazenamento suporta todas as três interfaces, direcionando os sinais elétricos para os três protocolos por meio de uma única conexão física. Uma capacidade de 'sentido automático' dentro do controlador determina qual dos três protocolos de interface está sendo atendido pelo controlador.

Do ponto de vista do design, o controlador tri-mode elimina a necessidade de os OEMs usarem um controlador dedicado aos protocolos SAS e SATA e um controlador diferente para NVMe. Ele oferece controle simplificado que permite suporte a baias comuns para protocolos de unidade SAS, SATA e NVMe. Com essa flexibilidade, vários tipos de unidade podem ser misturados e combinados com SSDs/HDDs SAS e SATA, bem como SSDs NVMe.

Conector SFF-8639

O conector SFF-8639 permite que um determinado slot de unidade no painel traseiro seja conectado a um único cabo para que possa fornecer acesso a um dispositivo SAS, SATA ou NVMe e determinar o protocolo de comunicação adequado conduzido pelo host de modo triplo. A especificação SFF-TA-1001 (U.3) une os componentes definindo o uso de pinos e a detecção de slot, além de abordar problemas de fiação de host e painel traseiro que ocorrem ao projetar um receptáculo de painel traseiro que aceita armazenamento NVMe e SAS/SATA dispositivos (Figura 3).

A Figura 3 mostra a evolução para um conector U.3 tri-mode

A especificação SFF-TA-1001 suporta os três tipos de interface no conector SFF-8639 com sinais para o host identificar seu tipo e com sinais para o dispositivo identificar sua configuração (por exemplo, PCIe de porta dupla).

O U.3 elimina a necessidade de adaptadores NVMe e SAS/SATA separados, permitindo que os OEMs simplifiquem seus projetos de backplane com menos rastros, cabos e conectores. Isso resulta em um benefício de custo associado à construção de backplanes com menos componentes, bem como uma simplificação geral do servidor OEM e SKUs de componentes. Dispositivos baseados em U.3 precisam ser compatíveis com versões anteriores de hosts U.2.

Estrutura Universal de Gerenciamento de Backplane

A estrutura de gerenciamento de backplane universal (UBM) define e fornece um método comum para gerenciar e controlar backplanes SAS, SATA e NVMe (Figura 4). Ele também foi desenvolvido pelo Grupo de Trabalho SSD Form Factor sob a especificação ratificada SFF-TA-1005⁴e fornece uma estrutura de gerenciamento idêntica em todo o armazenamento do servidor, independentemente do protocolo de interface (SAS, SATA ou NVMe) ou da mídia de armazenamento (HDDs ou SSDs).

A Figura 4 mostra apenas um domínio necessário para backplane U.3 e gerenciamento de bay

Fonte: Broadcom® Inc.⁵

A estrutura de gerenciamento permite que os usuários gerenciem dispositivos SAS, SATA e NVMe sem nenhuma alteração necessária em drivers ou pilhas de software e aborda várias tarefas no nível do sistema que são importantes para o protocolo NVMe e, especificamente, para a operação U.3. Esta gestão inclui a capacidade de:

• Forneça os locais exatos dos slots do chassi. Para esse recurso, a estrutura UBM permite que os usuários identifiquem facilmente onde estão localizadas as unidades de armazenamento que precisam ser substituídas ou, no que se refere à solução de problemas, identifica possíveis problemas que podem estar associados a slots de unidade, cabos, energia ou às próprias unidades.
• Habilite a independência da ordem de instalação do cabo. Para lidar com esse recurso antes da configuração de modo triplo, os usuários precisavam colocar cabos específicos em slots de unidade específicos, pois o comprimento total do cabo era extremamente importante nessas configurações. Na configuração de modo triplo, um cabo multiuso é conectado a todos os slots de unidade, eliminando esse problema.
• Gerenciar padrões de LED no painel traseiro. A estrutura UBM permite que os usuários utilizem a codificação de LED em cada unidade que fornece um sinal visível da atividade da unidade que inclui o uso da unidade, falhas da unidade, energia, etc.
• Habilite o gerenciamento de energia e ambiental. A estrutura UBM gerencia a energia de um slot e dispositivo de armazenamento com sua função principal de ligar e desligar um dispositivo que não responde.
• Ative as redefinições de PCIe. No nível do barramento, o PCIe redefine todos os dispositivos conectados a uma ponte PCIe, independentemente de as unidades de armazenamento estarem funcionando normalmente ou não. A estrutura UBM permite que os usuários ativem redefinições de PCIe em slots de unidade específicos, redefinindo apenas as unidades necessárias.
• Habilitar modos de clock. Com taxas de dados mais altas fornecidas pelo PCIe 3.0 e PCIe 4.0, o clock torna-se mais difícil de suportar nessas velocidades mais altas. A estrutura UBM pode configurar dispositivos de armazenamento para usar uma rede de relógio PCIe tradicional ou incorporar sinais de relógio diretamente nos sinais de alta velocidade. Sinais de clock embutidos podem ter um efeito significativo na redução da interferência eletromagnética associada à sinalização de alta velocidade, resultando em clocks muito flexíveis.

A estrutura UBM permite que um controlador divida dinamicamente as pistas PCIe descrevendo o painel traseiro para que a fiação U.3 x1, x2 e x4 seja possível. Ele também fornece uma maneira de controlar o sinal PERST único (reinicialização PCIe) de outros sinais de banda lateral (como CLKREQ e WAKE) em várias ocorrências independentes para fiação 2×2 e 4×1. O UBM também fornece controle de clock de referência (REFCLK) para fiação 2×2 e 4×1. Embora o UBM seja projetado como uma estrutura que pode operar por conta própria, ele libera todo o poder do U.3 quando o UBM é implementado. O resultado final é um sistema de gerenciamento de backplane universal que permite maior configurabilidade e verdadeira flexibilidade do sistema.

Disponibilidade de plataforma U.3 e SSD

Com a ratificação da especificação SFF-TA-1001, um ecossistema U.3 evoluiu com os principais fornecedores de servidores, controladores e SSD desenvolvendo soluções para levar essa plataforma de tecnologia adiante. Por exemplo, servidores com controladores tri-mode e backplanes associados estão sendo implementados por alguns OEMs de servidor de nível 1. Espera-se que a disponibilidade inicial do sistema seja por meio de OEMs de servidor de nível 1 e nível 2, seguido por ofertas de canal amplo.

Do ponto de vista do controlador, a maioria dos fornecedores de RAID/HBA está desenvolvendo controladores com recursos tri-mode e suporte para operação U.3.

Do ponto de vista do SSD, quatro fornecedores de unidades, KIOXIA (anteriormente Toshiba Memory), Samsung, Seagate e SK Hynix participaram com sucesso do primeiro U.3 Plugfest em julho de 2019, realizada no laboratório de interoperabilidade da Universidade de New Hampshire. Desses fornecedores de SSD, a KIOXIA foi a primeira a demonstrar SSDs SFF-TA-1001 (U.3) no Flash Memory Summit 2019.

Sumário

Com o big data cada vez maior e os dados mais rápidos, juntamente com aplicativos de computação intensiva, como inteligência artificial, aprendizado de máquina e até análise de dados frios, a necessidade de maior desempenho no armazenamento de dados está crescendo aos trancos e barrancos. Ter que prever o uso de aplicativos de hoje, tamanhos de carga de trabalho, necessidades de desempenho e expectativas de capacidade é um grande desafio, mas prever o uso nos próximos anos leva o desafio a um novo nível.

A abordagem U.3 tri-mode baseia-se na especificação U.2 usando o mesmo conector SFF-8639. Essa abordagem combina suporte SAS, SATA e NVMe em um único controlador dentro de um servidor, gerenciado por um sistema UBM que permite que SSDs/HDDs SAS, SSDs/HDDs SATA e SSDs NVMe sejam combinados. U.3 fornece uma enorme variedade de benefícios que incluem:

• Backplane único, conector e controlador para armazenamento
  • Elimina componentes separados para cada protocolo suportado
  • Habilita troca a quente entre dispositivos (se o dispositivo for compatível)
  • Fornece suporte SAS/SATA/NVMe a partir de um slot de unidade
  • Reduz os custos gerais de armazenamento usando menos cabeamento, menos rastros e menos componentes
  • Oferece maior capacidade de configuração de armazenamento e verdadeira flexibilidade do sistema
• Alto desempenho
  • Oferece 64% mais largura de banda do compartimento de unidade e desempenho de IOPS quando um SSD SATA é substituído por um SSD NVMe/PCIe Gen3 x1 em um compartimento de unidade U.3⁶
  • Oferece melhoria de desempenho de capacidade de compartimento 13x quando um SSD SATA é substituído por um SSD NVMe/PCIe Gen4 x4 em um compartimento de unidade U.3 com taxa de transferência de SATA = 0.6 GB/s; x1 PCIe Gen3 NVMe = 0.98 GB/s; e PCIe Gen4 NVMe x4 = 7.76 GB/s⁶
• Assistência Domiciliária
  • Fornece as mesmas ferramentas de gerenciamento em todos os protocolos de armazenamento do servidor via UBM
• Conectividade universal
  • Estende os benefícios de conectividade de SAS e SATA para NVMe
  • Elimina a necessidade de adaptadores específicos de protocolo
  • Permite que as unidades compatíveis com U.2- (SFF-8639 Module) ou U.3- (SFF-TA-1001) sejam usadas na mesma arquitetura de armazenamento
  • Reduz o custo do sistema por meio de um backplane universal e infraestrutura de cabeamento compartilhado
  • Reduz a complexidade de compra do sistema (elimina a possibilidade de selecionar o backplane e os adaptadores de armazenamento 'errados'

A plataforma U.3 atende a uma série de necessidades do setor: redução dos gastos com TCO, redução das complexidades das implantações de armazenamento, fornecimento de um caminho de substituição viável entre SATA, SAS e NVMe, manutenção da compatibilidade com versões anteriores com as atuais plataformas baseadas em U.2 NVMe, ao mesmo tempo protegendo o investimento inicial em armazenamento do cliente.

Sobre os autores:

John Geldman é o Diretor de Padrões da Indústria de SSD na KIOXIA America, Inc. (anteriormente Toshiba Memory America, Inc.) e lidera as atividades de padrões de armazenamento. Ele está atualmente envolvido em atividades de padrões envolvendo JEDEC, NVM Express, PCI-SIG, SATA, SFF, SNIA, T10, T13 e TCG. Ele tem contribuído com atividades de padrões por mais de três décadas cobrindo memória flash NAND, armazenamento em disco rígido, Linux™, redes, segurança e desenvolvimento de IC. John esteve no conselho, dirigiu, presidiu ou editou especificações para CompactFlash, SD Card Association, USB, UFSA, IEEE 1667, JEDEC, T10 e T13, e atualmente atua como membro do Conselho de Administração da NVM Express, Inc.

 

John Geldman, KIOXIA

Rick Kutcipal esa Gerente de Marketing do Data Center Storage Group na Broadcom Inc., e é um veterano de 25 anos em negócios de armazenamento de dados e computadores. Ele coordena a maioria das atividades globais de padrões de armazenamento para a Broadcom. Antes da Broadcom, Rick passou quase 15 anos na LSI Logic como gerente de produto e foi fundamental no lançamento do primeiro expansor SAS de 12 Gb/s do setor. No início de sua carreira, Rick projetou chips avançados e sistemas de nível de placa para a Evans & Sutherland. Hoje, Rick atua no Conselho de Administração da SCSI Trade Association (STA), desempenhando um papel influente na definição e promoção da tecnologia SAS.

Rick Kutcipal, Broadcom

Cameron Brett é o diretor de marketing corporativo da KIOXIA America, Inc. (anteriormente Toshiba Memory America, Inc.) e é responsável pelo marketing de saída e mensagens de SSD corporativo, software e produtos de memória. Ele representa a KIOXIA como co-presidente do grupo de trabalho de marketing NVM Express, também como membro do Conselho de Administração e presidente da SCSI Trade Association (STA) e também como co-presidente da Storage Networking Industry Association (SNIA) SSD SIG. Cam é um veterano de 20 anos no setor de armazenamento e ocupou cargos anteriores de marketing e gerenciamento de produtos na Toshiba Memory, PMC-Sierra, QLogic, Broadcom e Adaptec.

Cameron Brett, KIOXIA

Marcas Registradas:

Broadcom é uma marca registrada da Broadcom Inc. Linux é uma marca registrada de Linus Torvalds. NVMe e NVM Express são marcas comerciais da NVM Express, Inc. PCIe é uma marca registrada da PCI-SIG. SCSI é uma marca comercial da SCSI, LLC. Todas as outras marcas comerciais ou marcas registradas são de propriedade de seus respectivos proprietários.

Observações:

¹A especificação SFF-TA-1001 Universal x4 Link Definition para SFF-8639 está disponível em: http://www.snia.org/sff/specifications.

²A especificação do módulo SFF-8639 está disponível em: http://www.pcisig.com/specifications.

³ Fonte: IDC. – “Atualização mundial de previsão de unidade de estado sólido, 2019-2023, tabela de previsão de mercado 12, Jeff Janukowicz, dezembro de 2019, IDC nº 44492119.

⁴A especificação SFF-TA-1005 Universal Backplane Management (UBM) está disponível em: http://www.snia.org/sff/specifications.

⁵Fonte: Broadcom Inc. – “Método comum para gerenciamento de compartimentos de unidade SAS, SATA e NVMe – SFF-TA-1005, também conhecido como UBM: Universal Bay Management.”

⁶Os números de desempenho representam os recursos físicos da interface em execução no conector e não representam os recursos do adaptador de barramento do host ou do dispositivo de armazenamento.

Créditos da imagem do produto:

Figura 1: Configurações de armazenamento separadas para SAS/SATA e PCIe:

1. Expansor SAS: Fonte = Avago Technologies – Expansor SAS de 12 Gb/s da Avago Technologies, SAS35x48
2. SAS HBA: Fonte = Broadcom Inc. – Adaptador de barramento de host Broadcom 9400-8i SAS 12 Gb/s
3. Comutador PCIe: Origem = Broadcom Inc. – Broadcom Interruptor de armazenamento PCIe PEX88096
4. SSDs: Fonte = KIOXIA America, Inc. – PM5 12 Gbps Enterprise SAS SSD, RM5 12 Gbps SAS SSD, HK6 Enterprise SATA SSD, CM6 PCIe 4.0 Enterprise NVMe SSD e CD6 PCIe 4.0 Data Center NVMe SSD

Figura 2: Tri-mode / Backplane universal:

1. Controlador de modo triplo: Fonte = Broadcom Inc. — Adaptador de armazenamento de modo triplo Broadcom 9400-16i
2. SSDs: Fonte = KIOXIA America, Inc. – PM5 12 Gbps Enterprise SAS SSD, RM5 12 Gbps SAS SSD, HK6 Enterprise SATA SSD, CM6 PCIe 4.0 Enterprise NVMe SSD e CD6 PCIe 4.0 Data Center NVMe SSD