适用新一代存储的 PCIe 6.0、NVMe 和新兴外形规格

Source: Gary Ruggles, PCIe 6.0, NVMe, And Emerging Form Factors For Storage Applications, July 19th, 2022

按：数据中心 NVMe 化是必然的。NVMe/PCIe SSD + NVMe-oF/RDMA + 高速以太网 + （GPU直通）带来的融合性创新是颠覆性的。

PCIe 6.0 实现可通过嵌入式交换机或交换机芯片进行扩展和分层，允许一个根端口与多个端点（如存储设备、以太网卡和显示驱动程序）接口。虽然以 64GT/s 的速度引入 PCIe 6.0 有助于增加存储应用程序的可用带宽，同时延迟增加很少或没有增加，但缺乏一致性仍然限制了 PCIe 进入固态硬盘 （SSD） 等应用，这些应用是块存储设备。对于这些存储应用，以PCIe为传输接口的NVMe已经成为占主导地位的SSD技术。

Apacer 于 2022 年 5 月在台北的 Computex 上发布了首款 PCIe 5.0 固态硬盘。随着 PCIe 5.0 固态硬盘的起步，是什么推动了对更快固态硬盘的需求？市场需求归结为试图通过提高可用于连接到驱动器的带宽来跟上SSD不断增长的容量。由于大多数SSD外形尺寸（包括普遍存在的M.2和U.2）都支持x4（四通道）的最大通道配置，因此增加带宽的唯一方法是使每个通道都更快，因为使用接口更宽是不可能的。这已将PCIe速度从4.0提高到5.0，仅次于PCIe 6.0。

NVMe 与 PCIe 赋能 SSD

NVM Express （NVMe） 是一种逻辑设备接口规范，用于访问通过 PCIe 总线连接的非易失性存储介质，其性能面向广泛的企业和客户端系统，现在它主导着 SSD 领域。NVM 代表非易失性存储器，通常是NAND闪存，它具有多种物理外形规格，包括2.5“ SSD（U.2），PCIe附加卡（AIC），M.2卡等。NVMe 技术不是一种传输协议，而是一种使用 PCIe 传输的面向存储的命令集。

NVMe 专为 SSD 而设计，使用高速 PCIe 连接在存储接口和系统 CPU 之间进行通信，不受存储外形的影响。NVMe 比基于 SATA 的旧版 SSD 更快，传输更多数据更快。由于 NVMe 专为 SSD 而设计，因此已成为数据中心服务器和客户端设备（如笔记本电脑、台式 PC 和高级游戏机）的新行业标准。

自 2011 年发布 NVMe 规范以来，NVMe 已发展成为固态硬盘市场的主导者。NVMe over Fabrics或NVMe-oF于2016年被添加到规范中，并将NVMe的使用扩展到其他协议，如以太网，Infiniband或FiberChannel，允许主机系统通过网络或结构访问存储设备，远远超出单个背板。NVMe-oF 设备通常利用 PCIe/NVMe SSD 阵列和控制器与网络传输接口，而 PCIe 仍然是这些系统的关键部分。

如今，大多数主机平台都基于 PCIe 4.0，而 PCIe 5.0 刚刚开始部署。因此，大多数 SSD 都基于 PCIe 4.0，一些新的 SSD 基于 PCIe 5.0，一些领先的 SSD 开发已经针对 PCIe 6.0。

按接口类型和年份划分的企业 SSD 容量出货量预测

Source: IDC Worldwide Solid State Drive Forecast 2020-2024, Doc #US4590920, December 2020

PCIe （NVMe） 固态硬盘外形规格

虽然 M.2 和 U.2 外形将带宽限制为 x4 PCI Express 链路，但较新的外形尺寸（如 E1 和 E3）以及附加卡外形尺寸，能够以更高的带宽实现更宽的 x8 甚至 x16 链路。外形尺寸不能决定支持的PCIe数据速率；数据速率主要由当前的PCIe规范版本及其在业界的部署驱动。

U.2

U.2 是一种 2.5 英寸外形尺寸，通常用于 SSD，并随 PCIe（带 NVMe）、SAS 或 SATA 接口提供。它通常用于围绕HDD构建的台式机，服务器和存储系统，并且某些主板内置了U.2接口。严格来说，U.2意味着符合PCI Express SFF-8639模块规范，并且有7mm和15mm模块使用U.2，可以支持PCIe x4和NVMe。

M.2

M.2 是面向移动、笔记本电脑和 PC 市场的内部安装 SSD 的外形规格，比 U.2 小得多。M.2 支持 PCIe、SATA 和 USB 接口。M.2 SSD 有各种宽度和长度，但大多数版本共享相同样式的连接器，可直接插入主板上可用的 M.2 插槽。M.2 外形尺寸支持运行 NVMe 命令集的 PCIe 的 x2 和/或 x4 通道。

EDSFF 外形规格

EDSFF 代表企业和数据中心标准外形规格，它包括由 SNIA 维护的一系列规范，作为 SFF 技术联盟技术工作的一部分。EDSFF 包括各种外形规格，它们都共享相同的 PCIe + NVMe 协议和相同的 SFF-TA-1002 边缘连接器。EDSFF 在最大驱动器容量、可扩展性、性能以及散热和电源管理方面比其他一些 SSD 外形具有优势。一些 EDSFF 外形尺寸支持 x8 甚至 x16 PCIe 链路，从而为未来的 PCIe 6.0 基础 SSD 提供尽可能高的带宽。

E1.S

E1.S 是 EDSFF 1U Short 的缩写，是一种灵活、高能效的构建块，适用于超大规模和企业存储应用，如云计算服务器和 OEM 1U 性能服务器。E1.S 是一个小外形尺寸，仅比 M.2 稍长，但更宽，以适应更多的 NAND，从而增加每个驱动器的容量。E1.与超大规模数据中心中流行的典型110mm M.2外形相比，S具有优势，例如 热插拔 功能，改进的散热性能，以及由于支持x8 PCIe链路而扩展到更高的容量，高于M.2中最大的x4。

E1.L

E1.L 是 EDSFF 1U Long 的缩写，是一种外形规格，旨在最大限度地提高 1U 服务器或存储阵列中每个驱动器和每个机架单元的可用容量。E1.L 具有支持 PCIe 的 x4 或 x8 通道的选项，同时垂直安装在 1U 机箱中，以实现每个驱动器的可扩展带宽。它具有热插拔和前端访问可维护性，LED 内置于集成机箱中，可提高数据中心 的可维护性 ，并允许更节能的存储 （TB/W）。E1.L，如E1。S，垂直安装在标准 1U 机箱中。

E3

E3 是一系列外形规格，包括 E3.S 和 E3.L，旨在取代许多服务器和存储系统中传统的U.2 2.5英寸外形。不同的版本都共享相同的高度（76mm），并且是可热插拔的驱动器。它们针对 SSD 和系统机箱的闪存密度进行了优化。E3 系列连接器专为 x4 至 x16 PCIe 通道和高达 70W 的功率包络而设计，使其成为与 AIC 一样具有最高带宽的 SSD 外形尺寸。所有版本都兼容插槽/连接器，并且应可从正面访问。EDSFF E3 专为未来的服务器和存储系统而设计，将适应未来几代 PCI Express，包括 PCIe 6.0。

附加卡

SSD 的附加卡 （AIC） 外形采用标准 PCIe 卡外形，可以插入可用的 PCIe 插槽。鉴于 AIC 的物理尺寸比前面讨论的外形规格更大，因此 AIC 可能具有更大的容量和更高的性能，因为它还可以支持任何可用的 PCIe 链路宽度，包括 x16。此外，较大的尺寸允许向存储设备添加其他计算功能。AIC外形是多功能的，并且可能能够针对固态存储应用而发展。

总结

PCI Express是当今SSD的主要接口，这是由NVMe标准的广泛采用所驱动的。NVMe SSD提供多种外形尺寸，正在进入市场 ，支持通过PCIe 5.0连接到主机，并准备在未来2-3年内迁移到PCIe 6.0。E3 外形的引入以及 AIC 可能会使 PCIe 6.0 x16 SSD 的 SSD 可用总带宽高达每秒约 100GB。