PCIe闪存控制器技术解析

　　我们知道闪存磁盘是在HDD以后出现的，由于SSD优异的随机性能、越来越大的容量和越来越低的成本等优势，使得闪存热度上升、乃至大有替换HDD的趋势。由于历史继承性等原因，SSD在设计是也是借鉴了部分HDD技术，包含接口技术。

　　现在绝大多数SSD都是采用SATA/SAS接口，但是通用的SATA/SAS接口是针对HDD设计，但面对闪存速度上百倍的提升，接口的带宽就成为了I/O的最大瓶颈；随后PCIe接口的SSD也得到广泛应用来应对高性能要求；美光也开始探索串行NOR闪存接口。

　　

　　到目前为止，大部分存储厂商都推出了对应的PCIe闪存卡（如 EMC XtremSF PCIe SSD卡 ）和磁盘。

　　PCIe-SSD架构解析

　　PCIe作为CPU的局部总线，最大的特点在于数据传输吞吐量大和延迟低。对于NandFlash固态存储而言，传统磁盘存储领域存在的随机读写问题将不复存在，因此，整个存储系统的瓶颈从存储介质转移到了传输接口上来了。为存储而生的SATA/SAS接口在SSD上的表现不是那么理想了，非常影响IO的传输延迟。为此，显而易见，存储接口应该从传统的SATA/SAS往离CPU更近的系统总线PCIe或者DIMM方向发展。

　　大家其实很早就认识到了这一点，当年Fusion-io推出基于PCIe的闪存卡时，让整个业界为此眼前一亮，原来闪存也可以这么玩？为此，Fusion-io在前几年都一直非常的红火。NandFlash本身不是一个新东西，基于NandFlash的存储在电子设计领域，以及移动存储领域早就开始应用了。但是，将NandFlash作为数据中心的存储介质、在消费电子领域替代磁盘，也就发展了没有多少年。作为磁盘存储的第二选择，很多芯片厂商提供了基于SATA、SAS接口的NandFlash控制器，例如Marvell、LSI都有类似的芯片。

　　但是，为了能够充分利用NandFlash存储介质的特性，SATA、SAS接口本身就是一个性能瓶颈点。这两年基于PCIe接口的SSD存储一直在蓬勃发展，由于整个行业处于军阀混战的年代，nvme标准还没有充分的得到落实，所以，这方面的接口控制器也就五花八门，个具特色。

　

　　在市场早期，很多厂商为了能够快速进入市场，利用现有技术很快构建出了PCIe接口的闪存卡。典型的产品如上图所示，这是一款Oracle（SUN）的PCIe Flash卡，采用4个Marvell闪存控制器的SATA闪存模块，通过LSISAS1068E控制器连接到PCIe总线上。这种结构将已经成熟的HBA控制器和基于SATA/SAS接口的NandFlash控制器技术结合了起来，具体如下所示：

　

　　从技术的角度来看，采用这种方案显然引入了延迟，中间多了一层SATA/SAS接口的转换。所以，这种卡的性能往往会比Fusion-IO的性能要差。原因在于Fusion-IO没有采用这种简单的技术堆叠，而是采用FPGA自己做了一个基于PCIe的NandFlash控制器。采用这种技术方案的结构如下图所示：

　

　　上述方案最大的好处是降低了IO延迟，去除了无谓的SAS/SATA接口层，使NandFlash直接连到了PCI总线上。这种直接基于PCI总线的技术方案也被称之为Native PCIe方案，并且已经成为各个厂商公认的未来闪存存储的技术路线之一。所以，从芯片厂商的角度出发，急需需要研制基于PCI接口的闪存控制器，替代现有的接口转换方式。

　　

　　如今以Intel为首的Nvme标准如火如荼的推进，并且慢慢的被各大厂商接受。一旦Nvme标准大范围的应用，基于该标准的控制器将会大量涌现，到那时，基于PCI总线的闪存存储将会和现在的SATA/SAS存储一样，成为应用主流。有时候在想，Fusion-IO为什么当年没有和Intel进行合作？或者为什么Fusion-IO没有自己来推动闪存控制器的变革，让更多的厂商一起加入到这个游戏圈中来？从短期来看，Fusion-IO的产品有很大的价值，但是，从长期来看，更大的价值在于控制器、基于Nandflash存储软件的标准化。Flash存储的市场空间巨大，标准化会是大势所趋。虽然Fusion-IO发展很早，但是，没有赶上标准化的快车，因此，标准化的集团军会对Fusion-IO进行围剿，从而导致Fusion-IO发展困难。