服务器端flash存储技术备受关注

服务器端flash存储的优点

早在2010年，我们就开始使用固态硬盘(ssd)作为服务器的引导驱动器，并立即获得了好处。这包括减少引导时间，更快的应用程序加载时间，以及存储在SSD上的任何操作系统组件或应用程序更一致的性能。我们还观察到，当操作系统分页文件位于ssd上时，整体系统性能更平稳。

我们实验室的比较测试表明，虚拟机(vm)引导明显更快从闪存技术而不是机械硬盘驱动器，特别是当几个或几十个虚拟机部署在每个物理主机服务器。当数据库文件、日志文件和临时文件位于固态存储时，对延迟敏感的应用程序(如事务性数据库工作负载)的延迟总是更低(更好)。

虽然有越来越多的运动所有的flash存储技术在美国，并非所有数据都需要永久存储在闪存中才能获得好处。我们已经执行了几个公开测试，展示了如何将相对少量的闪存与传统硬盘驱动器(HDD)技术结合使用，作为读缓存或读/写层来加速应用程序性能。这种加速在闪存位于外部存储阵列中，但如果位于服务器中，离处理器更近，速度会更好。

形成因素

服务器端flash存储技术可在各种形式因素，有些是知名的，有些是相当新的:

• 固态硬盘(SSD):这个形状因素与传统的硬盘相同。最常见的ssd有3.5英寸、2.5英寸和1.8英寸。这种形状的ssd有多种厚度，从与hdd相同到小至0.2英寸或5mm。
• 插件卡(AIC):这个形状因素是典型的插入到PCI Express (PCIe)插槽中的插件卡。这些有多种尺寸，通常使用一些术语的组合，半高，全高，半长，全长或低轮廓。
• M.2:这个形状因子是一个内部安装的电路板，包含22毫米宽，30毫米到110毫米长范围内的闪存存储。这些可以安装在特殊的PCIe或SATA插槽(见下面的接口部分)。M.2设备可以将闪存芯片安装在一边或两边，而且往往比SSD或AIC设备耗电更少。
• mSATA:这和M.2的形状相似，但是mSATA设计适用于便携式设备，而不是服务器。
• 模块上的磁盘(DOM):这是一个很小的模块直接安装在主板上．它通常包含足够的闪存用于引导驱动器或嵌入式应用程序。
• NVDIMM(非易失性DIMM):此形状因子插入内存总线上的DIMM连接器，并包含一些DRAM(易失性)和/或非易失性内存技术，取决于具体类型的NVDIMM．它们以内存总线速度运行，通常比PCIe总线速度更快，需要主板和BIOS/UEFI的特殊支持，以识别这些内存上的不同类型的内存。

NVDIMM解释

NVDIMM技术是一种通过双内联内存模块(dual inline memory module, DIMM)插槽将非易失性内存(NVM)放在内存通道上的技术。内存通道运行速度更快因此，这里放置的任何存储都提供了比上述其他形式因素更快的存储层(更高的性能和更低的延迟)。它包括DRAM、NVM(目前是NAND flash)或两者兼有，可以分为三种不同的类型:NVDIMM-N、NVDIMM-F和NVDIMM-P。大多数都需要对BIOS进行一些更改，并可能需要对操作系统进行更改以完全支持。NVDIMM技术也符合“存储类存储器”的描述。

NVDIMM-N是一个DIMM它包含了DRAM和NVM，但只有DRAM对系统是可见的——作为具有典型DRAM容量和延迟的标准RDIMM出现。NVM不能被主机服务器寻址，它只是作为DRAM的备份。内存中至少有和DRAM一样多的NVM，这样可以保护DRAM中的所有数据。NVDIMM-N的行为与普通DRAM相同，只是在失电时，使用超级电容将DRAM内容保存到NVM中，提供电源将DRAM复制到NVM中。执行数据保护功能需要BIOS支持NVDIMM-N。NVDIMM-N也被称为NVRAM。

NVDIMM-F中只有NVM，没有动态随机存取记忆体有时也被称为“记忆通道闪光”。它使用面向块的访问存储，并可以将NVM映射到内存地址空间。NVM容量是ssd的典型容量，但延迟比常规存储低得多——通常为单微秒或两位数微秒。

NVDIMM-P同时包含了DRAM和NVM，并将NVDIMM-N和NVDIMM-F的功能整合在同一个模块上。NVM被分配到两个区域，一个为DRAM提供持久性，另一个可以作为块存储访问。

接口

接口是与特定设备类型相关联的物理连接器(在某些情况下是电缆)。下面列出的接口是服务器内部存储设备(包括flash)使用的主要类型。

• 萨塔(串行ATA):SATA通常用于较低成本的存储设备，可以采用以下形式:SSD、M.2、DOM和mSATA。SATA也经常用于光盘/ dvd - rom等光学设备。这是一个点对点接口，意味着它支持每个连接一个设备。SATA的速度可达6gbps。
• SAS (Serial Attached SCSI):SAS主要用于SSD和HDD类型的企业级存储设备。它可以在单个连接上支持多达65,535个设备，并广泛用于服务器中的企业存储阵列、JBOD(只是一堆磁盘)框和驱动器上的背板。SAS支持双端口和宽端口驱动器，这意味着单个主机可以有一个更宽的带宽连接，一个用于故障转移的“a”和“B”连接，或者两个不同的主机同时访问驱动器。目前，它的速度可达12gbps，预计在2018年或2019年PCIe 4.0上市后不久将达到24gbps。SAS背板支持SATA驱动器的热插拔(参见上图了解更多的SSD驱动器)。
• U.2(原设定触发器- 8639):支持PCIe/NVMe ssd硬盘。U.2是向后兼容SAS设备的背板接口，支持NVMe (NVM Express)设备、SAS设备或SATA设备。通常，适合今天的U.2插槽的NVMe ssd使用PCI Express 3.0的四个通道，速度可达4gbps。
• 串行总线:该接口支持存储设备的AIC和M.2形式因子。虽然PCIe总线可以达到16车道宽，但今天的AIC形式存储设备通常是4或8车道宽，速度可达8gbps。M.2的形式因素装置利用作为PCIe因为该接口通常使用两个或四个PCIe通道。
• DIMM:现在，内存可以用于存储技术，如闪存和未来类型的存储器。目前，DDR4内存模块支持的速度可达19.2 GBps，延迟以两位数纳秒计算。

协议

协议是运行在特定接口上的一组命令。SATA接口支持SATA协议，SAS接口支持SAS(或SCSI)协议。一种称为NVMe的相对较新的协议是专门为使用当前和未来的非易失性内存技术的存储设计的。它通过减少完成一个I/O请求的处理器指令的数量来简化存储操作。

其中的一个目标NVMe是为了显著降低主机软件栈的延迟，以跟上固态存储硬件的进步。NVMe目前支持上述使用PCIe接口的任何形式因子。

通过将一个I/O请求和响应分配给同一个处理器核心，NVMe以高度并行性构建，以利用当今的多核处理器。此外，NVMe支持每个队列64K命令，最多支持64K队列，远远超过其他存储协议。这意味着它可以支持大量未完成的I/O操作，从而显著优于其他协议。

的路线图NVMe包括NVMe over Fabrics，这是一种使用RDMA fabric或Fibre Channel fabric远程扩展NVMe优势的方法。

服务器端flash的容量、限制

用于服务器的固态设备的容量迅速增长。几年前，在相同的物理尺寸下，企业级ssd的容量超过了企业级hdd(包括10K和15K RPM)的容量。如今，SSD存储容量的增长速度似乎超过了hdd。例如，今年早些时候，三星推出了2.5英寸15tb SSD，比市场上任何2.5英寸硬盘都大。

服务器端闪存存储技术有其局限性。与其他存储技术相比，最明显的限制是价格点，因为服务器端闪存的每千兆字节的原始成本仍然超过同等的HDD技术的价格。特别是NVMe设备非常昂贵。

然而，随着NAND闪存密度的急剧增加，现在考虑闪存存储设备的物理尺寸以及每千兆字节的价格变得很重要。例如，M.2的外形因素允许一个非常快速的启动驱动器比一个典型的2.5英寸硬盘占用更少的物理空间。

另一个限制是服务器内部的存储很难与其他服务器共享。某些服务器硬件配置可以部分抵消这一挑战，这些配置旨在与一些操作系统和管理程序技术一起工作，这些技术可以在集群中共享存储。例如，VMware VSAN 6.2提供的环境使得共享存储比过去简单得多。对于微软Windows用户，即将到来的Windows Server 2016释放(将于今年晚些时候发布)将提供一个称为Storage Spaces Direct的特性，该特性使本地存储能够用于具有内部ssd或hdd或jbod内驱动器的高可用环境——支持SATA、SAS或NVMe设备。这两种技术都为本地服务器端存储带来了诸如重复数据删除、压缩、服务质量等高级特性。

Hyper-converged基础设施是另一种相对较新的技术，它有助于简化服务器之间的存储共享。由于它将计算、网络和存储结合到一个设计为可扩展的单个单元中，因此对于那些设计为以分布式方式跨服务器节点扩展的应用程序来说，专有存储的限制有所降低。

结论

固态创新让我们重新思考如何部署存储，并让我们有机会打破传统架构。通过新的形式因素、物理密度、存储协议和操作环境，服务器端闪存技术可以提供一些有趣的方法来解决今天的服务器端存储挑战。

关于作者:
丹尼斯·马丁自1980年以来一直在IT行业工作，是Demartek(计算机行业分析组织和测试实验室)的创始人和总裁。