PCIe和NVMe實現存儲現代化

卡爾·保爾森

在這個數字轉型的時代，媒體領域發生了許多變化，制作設施面臨著是否走向IP的決策，同時還要努力確定UHDTV1（4K）及以上內容制作的影響。

2019年消費電子展表明4K電視作為硬件已經基本普及，4K市場已趨近成熟，同時明確地將8K（UHD-TV2）視為未來電視顯示屏的下一個巨變。當然，伴隨8K到來的是創作和分發這些內容的要求，而隨著這個循環的持續，在如何有效地管理基礎設施所需的更改方面會發生重大的變化。

顯然，制作這些新內容所需要的數據量不會變小。此外，制作8K優質內容的需求，可能意味著以高動態范圍（HDR）拍攝，而且分辨率至少要達到4K，才能實現更大屏幕的價值，這將在相當長一段時間內依賴分辨率提升器。

多向擴展性

在過去十年中，與SaaS、AI、VR、社交媒體和圖像分辨率相關的應用要求系統在多個維度擴展。峰值需求不斷變化，迫使數據集及其管理出現前所未有的增長。為處理這些新的數據密集型工作量，要求相稱的新框架，這是傳統解決方案集所無法實現的。

系統資源現在正在被分離，允許它們獨立地擴展并轉換為服務，而不是以前對待它們的方式。那些依賴于“共享存儲”模式的人正在發現，存在I/O（輸入/輸出）性能不足且延遲過大（即吞吐量邊界），難以滿足新要求的情況，網絡接口和服務器以及存儲器也有同樣的情況。

基于閃存的設計從問世到現在已經過去了20多年，在串行數據I/O和傳輸方面達到了一個峰值。簡單地用SSD取代硬盤驅動器，然后在傳統的SAS（串行連接SCSI）或SATA（串行ATA）接口上微調性能，已不再有效。

當前，最新的技術是非易失性存儲器主機控制器接口規范（NVMe），這是一個可擴展的主機控制器接口，與存儲協議耦合，加速客戶端和/或企業系統之間的數據傳輸，這些系統使用基于高速PCIe（高速串行計算機擴展總線標準）的固態硬盤（SSD）。

命令和隊列

至少有兩個主要因素影響SSD性能——命令和隊列。傳統的SATA設備通常在一個隊列中最多支持32個命令；SAS設備在一個隊列中最多支持256個命令。下面簡要介紹這兩種結構的工作原理：

根據預期的工作量和系統配置，主機軟件將根據控制器支持的最大值，建立“隊列”（可用位或插槽）。通常，這是由核心處理器控制的，并且在數量上受到限制，以避免鎖定，并確保根據核心處理器的緩存無障礙地創建數據結構。

一個循環緩沖區，即具有固定插槽大小的提交隊列（SQ），被主機用來提交控制器執行的“命令”。每個SQ條目都是一個命令。完成隊列（CQ）是另一個具有固定插槽大小的循環緩沖區，用于公布完成命令的狀態。隊列的數量因應用而異——企業應用隊列數從16到128，而客戶端隊列數量僅為2到8個。兩者的塊大小都是4kB（采用NVMe協議4kB以上）。

換道和千兆傳輸

考慮到各種各樣的接口機會以及進出連接到總線的設備的I/O的相互依賴，了解PCIe解決方案集的真正含義可能很復雜。計算PCIe帶寬可能更具挑戰性，特別是在出現像千兆傳輸（GT/s）這樣與速率和速度（如GHz）互換的新術語時。我們將從更簡單的角度提供一些關于PCIe演化的介紹性信息，而不是查看每代PCIe的詳細信息。

使用PCIe連接的平臺不斷增加，從第1代（24通道）到第2代（36通道，帶寬增加了一倍），到第3代的每通道1GBps的I/O性能。

通道是一種數據傳輸鏈路，它由兩對線組成——一對用于傳輸，一對用于接收。消費PCIe插槽可以是1、4、8或16通道。數據包以每周期1比特的速度穿過通道。1個鏈路（一個通道）每個方向每周期傳輸1比特（因此每個方向兩條線乘以2）。雙鏈路（兩個通道）使用8條線，每個方向（每周期）同時傳輸2比特。隨著PCIe迭代，這些數量不斷增加。

作為PCIe一代和二代采用8b/10b編碼，導致20%的性能開銷。編碼將8位數據集轉換為10位字符集，因此每個通道250MBps帶寬只能傳輸200MBps。當使用來自千兆字節帶寬數中的千兆傳輸參數時，這些數字有一個不均勻的變化，這在一個圖表中被很好地呈現，反映編碼、傳輸和速度的關系，用于比較（圖2）。

支持第2代的SSD有八通道，在3GBps上傳輸；第三代接口的速度提高一倍，單個設備的速度達到6Gbps。編碼現在是128b/130b，導致僅1.5%的開銷。延遲也降低了，而且還可以直接連接到芯片組或CPU。

還不止于此

AMD在2019年CES上宣布，它將是第一個在企業或桌面（客戶端）級別支持PCIe 4.0的公司。具有諷刺意味的是，在今年5月，PCIe 5.0規范（提供的帶寬是PCIe 3.0的4倍）甚至在第4代（PCIe 4.0）發布之前就已經發布了。

這能走多遠？為什么當第五代基本上具有100GbE（千兆以太網）連接的帶寬（相當于每秒大約63GB，16倍速）時，還要繼續發展？當然，家庭用戶不需要這些值，甚至企業用戶也可能質疑這一命題，特別是考慮到他們連接的SSD的限制和交換設備的成本（不管成本不斷降低）。

這些數據速率指數增長的一個演進場景是“始終開機”（相對于“始終聯網”）的計算平臺級場景，這種場景正悄然成形，由于電池壽命的預期，“始終開機”模式似乎在競爭中處于領先地位。對于媒體和娛樂業，例如那些慣常創作UHD/4K內容的機構，存儲刷新現在可以占用更少的空間，耗電和冷卻要求更低，并比以前的存儲解決方案集提高了數倍的性能。

新興的協議

當前的存儲系統的發展基于最新的NVMe協議。將NVMe與多核處理器結合使用有助于消除單獨的傳統接口所遇到的瓶頸。NVMe為高速訪問存儲媒體帶來了高度可擴展的新功能，這反過來又為包括媒體、視頻制作和后期制作在內的數據驅動市場帶來了更大的增長。

當你處于更新模式或考慮轉到UHD制作時，可看看包含NVMe的存儲解決方案，特別是那些再利用現有SSD（你可能已經擁有）的存儲解決方案。B&P