基于闪存的SSD具备了比电动机械驱动器更快的随机读取和数据传输速度，因此现在可以常被用来替代旋转磁盘，但SSD的主机接口仍然是其性能上的短板。基于串行总线和接口标准(PCIe)的SSD和一种被叫做NVMe(永久存储器)新兴标准相辅相成，使该接口的短板问题得以解决。
如今人们正逐渐发现SSD的意义所在，而且一旦新的NVMe标准成熟，并且公司的交付集成电路能实现SSD与主机处理器更紧密的耦合后，还会发现其更加广泛的价值。
日立CTO：SSD终将替代机械硬盘
目前较棘手的问题是迫切需要找到一种技术，以满足这20年间处理器呈指数级增长的性能需求。芯片制造商一直在提升处理器核心的性能，从而可将多个内核叠加到一个集成电路中，并努力开发能够将多个集成电路更紧密得连接到多个处理器系统的技术。这样一来，最终的结果将是：方案中所有内核都需要进入同一个存储器的子系统中。
企业的IT经理们都盼着使用多处理器系统，因为这样的系统每秒可处理的I/O操作数量(IOPS) 将有很大的增长空间，在耗电方面，每瓦特的IOPS也有提升的余地。如果处理单元可以及时访问到数据的话，新处理器IOPS性能会更强，成本和能耗也因此会降低。让活跃的处理器等待数据是件既浪费时间又浪费钱的事情。
存储分层技术
当然，现在的系统中有多级存储技术，可以将编码和数据送到各处理器内核。通常每个内核都含有处理速度可与内核持平的本地高速缓存。一个芯片里的多个内核共享一个二级，有时候还有一个三级高速缓存。然后DRAM 为高速缓存提供数据。DRAM和高速缓存的读取速度和数据传输性能都已得到适当地扩展，足够和处理器的性能相协调。
DRAM 和旋转存储器性能之间存在一个断层，具体表现就是读取速度和数据量会受到影响。磁盘驱动器供应商在高容量低成本磁盘驱动的设计和生产上贡献颇多。但驱动器本身具有的局限性，即它们读取数据的速度以及将读取到的数据转入DRAM的速度不可能无限提升。
读取速度有多快取决于硬盘将读磁头移到磁盘数据轨道所需时间的多少，以及数据存储区转到读磁头下方所需的转动延迟时间的长短。最大传输速度是由磁盘的转动速度以及数据编码体制体现的，二者共同决定了每秒从磁盘读取到的字节量。
硬盘驱动器在读取和传输连续数据时的性能相对较高。但是随机读取操作会增加延迟。而且，即使是连续读取操作都无法满足最新处理器对数据的巨大需求。
同时，企业的在线交易系统在处理金融业务时，或是在应用程序中开发数据时，比如像客户关系管理需要高度的随机数据读取这种情况，都要求有较高的随机数据读取速度。云计算也有一个随机单元，其随机操作通常会随着技术的更新不断升级，比如虚拟化技术，它能扩展单个系统里任何时候都处在活跃状态的应用程序的适用范围。每产生一微妙的延迟都意味着成本的损失，以及较低的处理器利用率和系统能耗的浪费。
幸好闪存为解决DRAM和传统的机械磁盘存储的性能的断层问题提供了可能。闪存比DRAM 慢，但是它每十亿字节的存储成本相对更低。但还是高于磁盘存储成本，但企业乐于支付溢价，因为闪存在传输速度和随机数据的读取速度方面性能更高，因此和机械磁盘存储相比有着更好的IOPS成本效益。
增加闪存容量以及合理增加成本让SSD越来越受欢迎，因为SSD封装闪存后可使其具有类似磁盘驱动的形状系数。此外，SSD最常被应用于磁盘驱动器接口，比如SATA(串行ATA)或SAS(附加串行SCSI)。
#p#副标题#e#
目前SSD使用的是磁盘接口
磁盘驱动器的形状系数和接口允许IT供应商用SSD代替磁盘驱动器。系统硬件或驱动软件都无需为此作任何更改。只要换入一个SSD，你就能拥有高得多的读取速度和多少会高一些的数据传输速度。
不过，对基于闪存的存储而言，磁盘驱动器接口并非最佳选择。闪存可以支持比最新一代磁盘接口更高的数据传输速度。而且，SSD的制造商能将足够多的闪存设备装入2.5英寸的形状系数，这样就在能耗上将比传统磁盘驱动器更具优势。
让我们更近距离的看一下磁盘接口。当今最主流的系统使用的是第二代SATA和SAS接口(被称为3Gbps接口)，它们的传输速度是300MB/s。第三代SATA和SAS将其速度提高到了600MB/s，基于该类接口的驱动器已经在企业级市场中拥有了一席之地。
上述的传输速度可以支持最快的机电驱动器，然而最新的NAND闪存配置和叠层芯片封装技术能传输的聚合闪存带宽超过了SATA 和 SAS互联后的传送能力。简言之就是SSD的性能短板从闪存设备转移到了主机接口。因此业界需要一种更快的主机内联技术让闪存得到充分利用。
PCIe主机接口能解决这种存储性能的短板问题，并且，通过将SSD直接连接到PCIe主总线，它将拥有天下无双的高性能。比如，2012年即将批量生产的第三代4-lane (x4) PCIe连接可以达到4GB/s的数据传输率。此外，直接PCIe连接可以减少系统能耗，大幅缩减老化存储配置的时延。
PCIe对存储带宽要求低
像PCIe 这样的接口显然能解决多通路闪存系统的带宽问题，而且还具备了更多的性能优势。而使用磁盘接口的SSD还需要忍受存储控制器IC处理磁盘I/O时产生的附加延迟。因为PCIe 设备是与主总线直接相连的，省去了和老化存储基础配置有关的结构层。所以PCIe SSD具备的基本功能可以实现：顶层OEM把PCIe SSD放入服务器的同时也相当于把它放进了存储序列，从而建立了层叠式存储系统，提高应用程序的速度的同时还降低了每IOPS成本。
将存储器移至PCIe连接会给系统设计人员带来更多的挑战。就像上面提到的，基于SATA和SAS的SSD产品保留了软件的兼容性，有些系统设计人员不想丢掉这个优点。任何PCIe存储器的安装启用都会引发对新驱动软件的需求。
尽管存在软件方面的问题，PCIe 存储仍然势不可挡。企业对性能的需求正在推动这一势头的发展。因为显然目前还没有其他更好的IOPS, IOPS/W和 IOP成本优化方法来满足IT管理者们的需要。
使用PCIe作为互联存储器的好处很明显。比如，和SATA 或SAS有关的数据吞吐量将增加5倍以上。而且，你可以跟SATA和SAS接口使用的主总线适配器和SERDES IC等配件说再见了，因此在系统一级省了钱又节了电。此外，PCIe拉近了存储器和处理器的距离，从而减少了延迟。
所以，现在这个行业面临的问题不是该不该使用PCIe 连接闪存，而是如何去实现它。已经进入市场的早期产品中有一些可供我们从中选择。
暂行的PCIe SSD安装启用方案
可以利用现有的闪存控制器集成电路实现最简单的安装启用，这种电路尽管能够控制存储器读写操作，但不支持系统I/O。这样的闪存控制器一般在目前基于SATA或SAS的SSD产品里的磁盘接口IC后面工作。
也可以选择另外一种方式：你可以在主处理器上运行闪存管理软件来激活一个简单的闪存控制器，让这个控制器在PCIe 互联上运作。这种方法不是很理想。第一，它需占用主处理器和存储资源,理想状态下被占用的这些资源可以处理更多IOPS。第二，它要求使用专门的驱动器，所以需要对原始设备制造商(OEM)进行资格审核。第三，因为系统必须通过启动闪存管理软件来执行并激活存储操作，所以它无法再被用作驱动器。第四，面对不断增长的系统资源需求，这样的配置没有相应的可扩展性。
显然从短期来看，这些理念会找到它们的市场。尤其是现在，这些产品正被作为高速缓存应用于硬盘驱动，而没有被当作高性能磁盘驱动的主要替代品。
长期来看，更可靠更高效的PCIe SSD设计需要借助一个复杂的SoC才能实现，这个SoC可以支持PCIe，可以结合闪存控制器的功能，还能充分体现存储理念。这样的产品将无需使用主机CPU和处理闪存管理的存储器，并将最终激活标准OS驱动，实现即插即用操作，就像现如今我们使用的SATA和SAS一样。
事实上，NVMe 最终将使PCIe SSD拥有即插即用功能。全行业80多家公司联合开发的NVMe 1.0已于今年3月由NVMHCI工作组(现在更常被称为NVMe工作组)投放市场。
NVMe 1.0为PCIe SSD定义了一个优化的寄存器接口，命令集和功能集。目的是帮助PCIe SSD得到更广泛的认可，并提供一个可扩展的接口以充分挖掘SSD技术现在以及未来的潜在价值。NVMe 1.0可从www.nvmexpress.org 下载。
现在已经对NVMe 技术进行了专门优化，以配合多内核系统，实现其多线运作，而且每条线上都可激活I/O操作。事实上，优化只是针对方案进行的，IT管理者希望通过方案的优化提高IOPS。NVMe可以支持多到64k I/O的队列，并且每队列中有多达64K的命令。每个处理器内核都可以执行自己队列的操作。
NVMe 推广项目组成立于今年6月，旨在推动基于PCIe SSDs的NVMe 标准得到更为广泛的认可。Cisco, Dell, EMC, IDT, Intel, NetApp和Oracle 7家行业领头企业将占据董事会的长期固定席位.另外6个席位将从NVMHCI工作组的其他成员企业中选出。
想让NVMe 成为一种主流的技术的话，需要做的工作还有很多，然而，业内参与者的广泛支持终将让这项技术成为高性能SSD互联的行业标准。支持者有IC制造商，闪存制造商，操作系统供应商，服务器制造商，存储子系统制造商和网络设备制造商
未来的12到18个月间，零部件价格有望下调，以支持NVMe作为驱动器应用于目前最为普及的操作系统。此外，公司也将使用SoC企业闪存控制器，以满足激活NVMe的需要。
PCIe SSD的规格规范
NVMe标准不涉及SSD的规格问题，那是另外一个工作组正在研究的课题。
企业级的存储设备，像磁盘驱动器和SSD之类通常都可以从外部访问，而且支持热插拔功能。因为磁盘驱动器本质上而言是机械设备，通常比集成电路寿命要短，因此从某种程度上来说，热插拔功能是必需的。因为这种功能可以轻松更换故障硬盘。
有了SSD之后，IT管理者和存储设备供应商都希望继续保有外部访问的模块技术。因为有这种技术的话，想扩展存储空间只需要增加SSD或将现有的SSD替换成容量更大的SSD就行了，非常简单。
事实上，为了解决形状规范的问题还制定了另外一套标准体系。SSD 规格工作组将工作重点放在了如何把PCIe作为一个SSD内联进行升级上。这个工作组由推广项目组里的5个成员单位——Dell, EMC, Fujitsu, IBM和Intel领衔主导。
SSD规格工作组成立于2010年秋，主要进行以下三个方面的研究：
1. 可同时支持PCIe和SAS/SATA的连接器。
2. 建立一个基于2.5英寸标准的规格规范，同时，该规范还可支持新一代连接器，并可扩大频率范围以支持更高的性能
3. 支持热插拔功能
为了让PCIe SSD的使用范围更广，并让该项技术帮助企业实现性能提升，所有构建模块正在逐步完善当中。现在企业受到了更多的关注，所以NVMe 标准也必将走入客户系统，从而让小到个人笔记本在内的电脑都得到性能方面的提升，同时还能降低成本和系统能耗。随着集成电路和驱动程序的逐步兼容，NVMe标准的制定将推动PCIe SSD技术得到更大范围的普及。
作者：Kam Eshghi Sr.，IDT公司企业计算技术部的营销总监
原文地址：http://www.computerworld.com/s/article/9218985/SSD_drives_promise_to_enhance_storage_performance_but_a_new_host_interface_standard_holds_the_key?taxonomyId=19&pageNumber=1
