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NVMe介面呼聲漸高 新設備支援遍地開花

2016-06-15
NVMe介面標準最早是由Intel主導,由包含DELL、Micron、Marvell、Samsung、EMC以及NetApp等80家以上的廠商組成工作小組制定而成,目的是為了解開PCIe SSD的束縛。
在第三平台、數位轉型等IT趨勢帶動下,企業內部的基礎架構進入一場「速度」的較量賽。別的不說,光是呈快速增長的龐大資料就足以讓企業無法招架,當資料量從TB(Terabyte)、PB(Petabyte)、EB(Exabyte)一路增長到了ZB(Zettabyte),想要保持一貫的競爭力,更快地存取資料,提高系統可處理的每秒讀取寫入次數(Input/Output Operations Per Second,IOPS)已成為重要關鍵。

長久以來,IT基礎架構總是不斷地想方設法提高效能,例如仰賴多核心處理器來提高運算的速度,但如果檢視IT基礎架構,則不難發現,許多應用服務之所以出現效能瓶頸,往往不在於運算或記憶體架構,而是肇因於I/O存取跟不上運算處理的速度。事實上,隨著處理器的速度越來越快、核心數愈來愈多,相關儲存元件I/O存取的速度差異也就愈來愈明顯。

快閃記憶體崛起

傳統上,硬體主機的儲存元件大致上可分為三個階層,第一階層是CPU內含的暫存器(Register)、L1以及L2快取,這一階層擁有最高的速度與最低的延遲性。第二階層則是動態隨機存取記憶體(DRAM),負責傳送資料給L2快取,如果處理器欲處理的資料在快取與DRAM都找不到時,系統才會進入硬碟尋找,也因此,在角色上,硬碟處於第三階層的儲存元件。


▲以CPU內含的暫存器為比較的基準,硬碟的速度慢上1,300萬倍。(資料來源:Intel)

愈處於後端的階層,不管是在速度與延遲性的表現上,都會比前一階層遜色。如果以CPU內含的暫存器為比較基準,依照Intel的資料,DRAM的反應速度比暫存器要慢上7倍,硬碟的落差更是足足有1,300萬倍。在這樣的情況下,即便企業採用SAS 12Gb/s超高速15,000轉企業級硬碟,也很難跟上處理器的運算腳步。

因而,以快閃記憶體為基礎的固態硬碟(SSD)也就成了近年來的熱門話題。快閃記憶體藉由電晶體的傳輸運作方式,能夠比硬碟快上1,300倍之多。雖然仍然無法趨近於DRAM,卻能夠提供較多的儲存空間,而且能夠快速地隨機存取資料。由於快閃記憶體成本逐年下降,再加上業者持續研發提高空間容量,使得固態硬碟的應用也不斷地成長,不管是伺服器或是儲存設備,支援SSD的機種也愈來愈多,而且企業端的接受度也愈見普及。


▲NVMe介面標準發展歷程。(資料來源:NVM Express, Inc.)

NVMe介面標準

但是把傳統硬碟慣用的SAS與SATA介面標準拿來套用在SSD上,卻很難展現出應有的速度。SATA 6Gb/s理論傳輸頻寬只有570MB/s,而SAS 12Gb/s的傳輸頻寬雖可提升一倍達到1.2GB/s,但若相較於PCIe 3.0(具有單向單通道頻寬1GB/s,在4條單通道的配置下可達4GB/s)時,明顯地仍遜色不少。

新興NVMe(Non-Volatile Memory Express,為非揮發性記憶體)介面標準日益受到重視的原因,正是因為NVMe主要是藉由高頻寬、低延遲的PCIe匯流排作為傳輸通道,使得傳輸頻寬得以從馬路變成高速公路,當頻寬加大,效能表現自然能夠大幅提升。


▲NVMe SSD的低延遲表現是一大特色。(資料來源:Dell)

NVMe介面標準最早由Intel主導開發,由包含Dell、Micron、Marvell、Samsung、EMC及NetApp等80家以上的企業組成工作小組制定而成,該工作小組為PCIe固態硬碟定義了一個優化的暫存器介面、指令集(Command Set)以及功能集(Feature Set),以便解開PCIe SSD的桎梏,同時也成為PCIe介面的標準。

戴爾企業技術策略架構師李俊邦指出,採用NVMe控制介面的PCIe SSD(以下簡稱NVMe SSD)與SATA/SAS SSD最大的差別,除了傳輸頻寬之外,低延遲表現也是一大特色。「這可分別從硬體與軟體的層面來探討,就硬體層來說,由於PCIe介面是直接連到處理器,因此不用像SAS介面須使用額外的控制晶片再接到處理器,必須重新轉碼過再進行傳輸。 而從軟體的層面來說,以Linux Storage Stack為例,NVMe減少了佇列(Request Queue)與SCSI Xlat指令等環節,使得傳輸的速度增加。如果對比SAS、SATA介面固態硬碟,NVMe SSD能夠縮短一半以上的延遲時間。」

混合配置優先

平心而論,NVMe SSD發展目前還在剛起步的階段,與SATA/SAS SSD應用的成熟度相比,還有一大段距離。不過,NVMe SSD發展相當快速,Dell在第12代PowerEdge伺服器率先支援NVMe SSD之後,近兩年已然有更多的伺服器與儲存業者也開始支援,例如HPE、NEC、聯想、雲達、泰安、QNAP、QSAN等等。

更讓人眼睛為之一亮的是,全NVMe SSD的設備已經成形,例如Supermicro全NVMe伺服器解決方案,包含SuperServer 2028R-NR48N、2028U-TN24R4T+以及SYS-1028U-TN10RT+等機種。緯穎科技在2016開放計算計畫(Open Compute Project)美國高峰會上也發表一款全快閃NVMe固態硬碟儲存產品ST7110-30P;另外,EMC在3月正式推出DSSD D5機架式擴充全快閃(Rack-Scale Flash,RSF)儲存設備也是一款典型產品。

不過,QSAN資深產品經理梁弘毅認為,NVMe SSD市場目前還在由原廠創造需求的階段,主要原因在於NVMe SSD的售價相對並不便宜,高容量的NVMe SSD單顆至少台幣十?萬元以上,也因此,在市場上看到可搭載NVMe SSD的設備,多半都是採用混合式配置,主要是作為快取(Cache)或是分層儲存中的第一層。「就全快閃儲存陣列的市場來看,還是以全SATA SSD為最大宗,如果企業打算以NVMe SSD組成一台全快閃儲存陣列,那麼就意謂著固態硬碟主要是作為資料存放之用,勢必要選擇高容量的NVMe SSD,整體售價也將會更高。」

鎖定關鍵應用

基於NVMe SSD可大幅提高IOPS以及低延遲的表現,多數專家均認為適合線上交易處理(OLTP)、線上分析處理(OLAP)、虛擬化環境、雲端運算以及顧客關係管理(CRM)等企業應用。

▲NEC伺服器研發中心企劃部經理齊藤正嗣指出,NVMe SSD的處理速度介於DRAM以及SAS/SATA SSD之間,相當適合應用於即時分析以及物聯網環境。
NEC伺服器研發中心企劃部經理齊藤正嗣補充,NVMe SSD的處理速度介於DRAM以及SAS/SATA SSD之間,也相當適合應用於即時分析以及物聯網(Internet of Things,IoT)環境。「在巨量資料的時代,企業需要更快速地處理資料,不管是IoT(物聯網)以及即時運算的解決方案都需要更快的回應(Response),NVMe SSD能滿足系統的高IOPS要求。」

他以物聯網為例繼續說明,「愈來愈多的感測器透過Internet網路連結到資料中心的伺服器,資料需要被即時運算,但大量的資料湧進時,伺服器就會變得很忙碌,甚至可能造成延遲,有了NVMe SSD之後,能夠加快資料處理的回應速度,而達到資料即時處理的效果。」

優勢、限制與未來發展

低功耗向來是快閃記憶體具備的特色之一,如果與硬碟相較,這份優勢會更為凸顯。但如果是拿SATA或SAS固態硬碟進行比較,NVMe SSD卻屈居劣勢,已經不下一位專家指出,NVMe SSD其實比SATA/SAS SSD更熱,雖然不致於熱到機構設計無法承受的階段,但在不更改既有Form Factor的前提下,相當程度也限制了設備對NVMe SSD的支援數量。

另外,值得留意的是,NVMe的應用涉及到很多層面,包含處理器、作業系統的驅動程式等環節都需要同步配合。雖然,目前包含Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware等都加入了對NVMe SSD的驅動支援,不過並非所有作業系統版本均可,以微軟Windows Server伺服器作業系統來說,至少要Microsoft Windows Server 2008 R2 SP1 (x64/EM64T) 或更新版本以上才行。Red Hat企業級作業系統也要是Red Hat Enterprise Linux 6.4 (x64/EM64T) 或更高版本。而在虛擬化平台方面,VMware ESXi 5.5之後才有支援驅動程式。

威聯通(QNAP)企業儲存研發處產品經理劉人豪觀察,NVMe SSD只是變革的開端,在可預見的未來還會有更多種類的記憶體技術登場,例如3D XPoint、相變記憶體(Phase Change Memory,PCM)、鐵電隨機存取記憶體(FeRAM或FRAM)、磁阻隨機存取記憶體(MRAM)以及電阻型隨機存取記憶體(RRAM或ReRAM)等等問世,而這些新一代記憶體最終將會指向一個目標,就是將DRAM與Flash合而為一。

「過往作業系統、應用程式以及檔案系統等均是為了硬碟而量身訂做,但是當記憶體的板塊移動時,未來這些作業系統與應用程式會如何應用,並且確保資料的安全性,將會成為儲存業者的一大挑戰。」他說明,許多人把效能提升想像得很簡單,只要把一台儲存設備裝滿固態硬碟,效能就會呈線性飛速提升,但很不幸的,這並不會發生。企業需要能展現新型態的記憶體特性的設備,而這得仰賴業者打造全新作業系統與應用程式讓效能得以發揮,「很顯然地,這將是未來儲存業者較量的新戰場,愈快針對不同記憶體研發,才能有機會在市場上佔有一席之地。」


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