PCIe和NVMe實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)現(xiàn)代化

卡爾·保爾森

在這個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)型的時(shí)代，媒體領(lǐng)域發(fā)生了許多變化，制作設(shè)施面臨著是否走向IP的決策，同時(shí)還要努力確定UHDTV1（4K）及以上內(nèi)容制作的影響。

2019年消費(fèi)電子展表明4K電視作為硬件已經(jīng)基本普及，4K市場(chǎng)已趨近成熟，同時(shí)明確地將8K（UHD-TV2）視為未來(lái)電視顯示屏的下一個(gè)巨變。當(dāng)然，伴隨8K到來(lái)的是創(chuàng)作和分發(fā)這些內(nèi)容的要求，而隨著這個(gè)循環(huán)的持續(xù)，在如何有效地管理基礎(chǔ)設(shè)施所需的更改方面會(huì)發(fā)生重大的變化。

顯然，制作這些新內(nèi)容所需要的數(shù)據(jù)量不會(huì)變小。此外，制作8K優(yōu)質(zhì)內(nèi)容的需求，可能意味著以高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）拍攝，而且分辨率至少要達(dá)到4K，才能實(shí)現(xiàn)更大屏幕的價(jià)值，這將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)依賴分辨率提升器。

多向擴(kuò)展性

在過(guò)去十年中，與SaaS、AI、VR、社交媒體和圖像分辨率相關(guān)的應(yīng)用要求系統(tǒng)在多個(gè)維度擴(kuò)展。峰值需求不斷變化，迫使數(shù)據(jù)集及其管理出現(xiàn)前所未有的增長(zhǎng)。為處理這些新的數(shù)據(jù)密集型工作量，要求相稱的新框架，這是傳統(tǒng)解決方案集所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)資源現(xiàn)在正在被分離，允許它們獨(dú)立地?cái)U(kuò)展并轉(zhuǎn)換為服務(wù)，而不是以前對(duì)待它們的方式。那些依賴于“共享存儲(chǔ)”模式的人正在發(fā)現(xiàn)，存在I/O（輸入/輸出）性能不足且延遲過(guò)大（即吞吐量邊界），難以滿足新要求的情況，網(wǎng)絡(luò)接口和服務(wù)器以及存儲(chǔ)器也有同樣的情況。

基于閃存的設(shè)計(jì)從問(wèn)世到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了20多年，在串行數(shù)據(jù)I/O和傳輸方面達(dá)到了一個(gè)峰值。簡(jiǎn)單地用SSD取代硬盤驅(qū)動(dòng)器，然后在傳統(tǒng)的SAS（串行連接SCSI）或SATA（串行ATA）接口上微調(diào)性能，已不再有效。

當(dāng)前，最新的技術(shù)是非易失性存儲(chǔ)器主機(jī)控制器接口規(guī)范（NVMe），這是一個(gè)可擴(kuò)展的主機(jī)控制器接口，與存儲(chǔ)協(xié)議耦合，加速客戶端和/或企業(yè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，這些系統(tǒng)使用基于高速PCIe（高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)）的固態(tài)硬盤（SSD）。

命令和隊(duì)列

至少有兩個(gè)主要因素影響SSD性能——命令和隊(duì)列。傳統(tǒng)的SATA設(shè)備通常在一個(gè)隊(duì)列中最多支持32個(gè)命令；SAS設(shè)備在一個(gè)隊(duì)列中最多支持256個(gè)命令。下面簡(jiǎn)要介紹這兩種結(jié)構(gòu)的工作原理：

根據(jù)預(yù)期的工作量和系統(tǒng)配置，主機(jī)軟件將根據(jù)控制器支持的最大值，建立“隊(duì)列”（可用位或插槽）。通常，這是由核心處理器控制的，并且在數(shù)量上受到限制，以避免鎖定，并確保根據(jù)核心處理器的緩存無(wú)障礙地創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)，即具有固定插槽大小的提交隊(duì)列（SQ），被主機(jī)用來(lái)提交控制器執(zhí)行的“命令”。每個(gè)SQ條目都是一個(gè)命令。完成隊(duì)列（CQ）是另一個(gè)具有固定插槽大小的循環(huán)緩沖區(qū)，用于公布完成命令的狀態(tài)。隊(duì)列的數(shù)量因應(yīng)用而異——企業(yè)應(yīng)用隊(duì)列數(shù)從16到128，而客戶端隊(duì)列數(shù)量?jī)H為2到8個(gè)。兩者的塊大小都是4kB（采用NVMe協(xié)議4kB以上）。

換道和千兆傳輸

考慮到各種各樣的接口機(jī)會(huì)以及進(jìn)出連接到總線的設(shè)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(fù)雜。計(jì)算PCIe帶寬可能更具挑戰(zhàn)性，特別是在出現(xiàn)像千兆傳輸（GT/s）這樣與速率和速度（如GHz）互換的新術(shù)語(yǔ)時(shí)。我們將從更簡(jiǎn)單的角度提供一些關(guān)于PCIe演化的介紹性信息，而不是查看每代PCIe的詳細(xì)信息。

使用PCIe連接的平臺(tái)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(shù)據(jù)傳輸鏈路，它由兩對(duì)線組成——一對(duì)用于傳輸，一對(duì)用于接收。消費(fèi)PCIe插槽可以是1、4、8或16通道。數(shù)據(jù)包以每周期1比特的速度穿過(guò)通道。1個(gè)鏈路（一個(gè)通道）每個(gè)方向每周期傳輸1比特（因此每個(gè)方向兩條線乘以2）。雙鏈路（兩個(gè)通道）使用8條線，每個(gè)方向（每周期）同時(shí)傳輸2比特。隨著PCIe迭代，這些數(shù)量不斷增加。

作為PCIe一代和二代采用8b/10b編碼，導(dǎo)致20%的性能開(kāi)銷。編碼將8位數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為10位字符集，因此每個(gè)通道250MBps帶寬只能傳輸200MBps。當(dāng)使用來(lái)自千兆字節(jié)帶寬數(shù)中的千兆傳輸參數(shù)時(shí)，這些數(shù)字有一個(gè)不均勻的變化，這在一個(gè)圖表中被很好地呈現(xiàn)，反映編碼、傳輸和速度的關(guān)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(gè)設(shè)備的速度達(dá)到6Gbps。編碼現(xiàn)在是128b/130b，導(dǎo)致僅1.5%的開(kāi)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(gè)在企業(yè)或桌面（客戶端）級(jí)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(guī)范（提供的帶寬是PCIe 3.0的4倍）甚至在第4代（PCIe 4.0）發(fā)布之前就已經(jīng)發(fā)布了。

這能走多遠(yuǎn)？為什么當(dāng)?shù)谖宕旧暇哂?00GbE（千兆以太網(wǎng)）連接的帶寬（相當(dāng)于每秒大約63GB，16倍速）時(shí)，還要繼續(xù)發(fā)展？當(dāng)然，家庭用戶不需要這些值，甚至企業(yè)用戶也可能質(zhì)疑這一命題，特別是考慮到他們連接的SSD的限制和交換設(shè)備的成本（不管成本不斷降低）。

這些數(shù)據(jù)速率指數(shù)增長(zhǎng)的一個(gè)演進(jìn)場(chǎng)景是“始終開(kāi)機(jī)”（相對(duì)于“始終聯(lián)網(wǎng)”）的計(jì)算平臺(tái)級(jí)場(chǎng)景，這種場(chǎng)景正悄然成形，由于電池壽命的預(yù)期，“始終開(kāi)機(jī)”模式似乎在競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。對(duì)于媒體和娛樂(lè)業(yè)，例如那些慣常創(chuàng)作UHD/4K內(nèi)容的機(jī)構(gòu)，存儲(chǔ)刷新現(xiàn)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(chǔ)解決方案集提高了數(shù)倍的性能。

新興的協(xié)議

當(dāng)前的存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展基于最新的NVMe協(xié)議。將NVMe與多核處理器結(jié)合使用有助于消除單獨(dú)的傳統(tǒng)接口所遇到的瓶頸。NVMe為高速訪問(wèn)存儲(chǔ)媒體帶來(lái)了高度可擴(kuò)展的新功能，這反過(guò)來(lái)又為包括媒體、視頻制作和后期制作在內(nèi)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)帶來(lái)了更大的增長(zhǎng)。

當(dāng)你處于更新模式或考慮轉(zhuǎn)到UHD制作時(shí)，可看看包含NVMe的存儲(chǔ)解決方案，特別是那些再利用現(xiàn)有SSD（你可能已經(jīng)擁有）的存儲(chǔ)解決方案。B&P