PCIe闪存控制器技术解析

一、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。

不管怎么样，总体看一下基于PCIe的闪存架构，有些PCIe Flash厂商直接采用FPGA自定义闪存控制器；有些PCIe Flash厂商采用现有SATA/SAS闪存模块结合HBA控制器；有些PCIe Flash厂商直接采用最新的PCIe闪存控制器。个人认为第三种方案是未来的趋势，虽然，目前能够提供这种Native PCIe闪存控制器的厂商不多，但是，最近几年此类芯片将会被大量研发，并且符合Nvme标准的控制器将会成为发展趋势。下面对目前市场上出现的几款Native PCIe闪存控制器进行介绍。

二、Marvell PCIe闪存控制器

 

Marvell可以说是第一个（2012年初）推出PCIe闪存控制器的厂商。该闪存控制器可以支持4通道NandFlash芯片，并且可以外扩DRAM，内置ARM处理器。看起来，这款控制器的能力不是很强，管理的NandFlash数量有限。在个人电脑领域，基于这款控制器的存储卡可以替代现有SSD盘。但是，如何利用这款芯片构建存储容量更大的PCIe卡呢？

 

 

其实，采用一个PCI桥就可以将多个基于Marvell控制器的Flash模块组合在一起，从而形成一块容量巨大的PCIe存储卡。Marvell控制器88NV9145内部结构和PCIe卡结构如下图所示：

 

 

通常可以采用8个存储模块来构建一个PCIe板卡，每个存储模块采用Marvell控制器管理4个闪存芯片，然后通过一个PCIe switch将所有闪存模块连接起来。采用该方案实现的板卡如下图所示：

 

 

这种方案的优点是去除了SATA/SAS转换接口，将NandFlash连接到了PCIe总线上。缺点是Marvell的控制器管理能力有限，存储容量将会很受限制。另外，这种方案还增加一层PCIe总线。在控制器模式下，Marvell控制器能够提供的性能为9.3万随机读的IOPS和7万随机写IOPS。

另一个问题需要讨论的是FTL在何处实现？从理论上来讲，FTL可以在Marvell的控制器内部实现。但是，该控制器内部的只提供了一个ARM处理器和ECC校验引擎，处理能力似乎有限。因此，个人认为，采用该控制实现的Flash卡，FTL在host端实现最佳。在Host端的驱动程序中实现FTL，可以对板卡上的存储模块统一管理，从数据冗余角度来看，数据会更加安全，另外，FTL所管理的资源块也会更多，优化空间更大。

  

三、LSI PCIe闪存控制器

 

2013年年底的时候，LSI收购Sandforce，获得了闪存控制器芯片。收购后不久推出了Native PCIe控制器SF3700系列。该控制器的内部结构如下图所示：

 

 

和Marvell闪存控制器相比，LSI控制器显得更加的高端、大气、上档次。该芯片不仅可以支持传统的SATA接口，而且可以支持PCIe接口。因此如下图所示，采用该系列控制器，可以实现SATA或者PCIe SSD盘。特别在一些笔记本电脑中，可以直接采用PCIe接口的存储卡替代SATA-SSD盘。在企业存储领域，可以采用该芯片实现Native PCIe存储卡。

 

 

LSI控制器内部分成三大部分：第一部分是SATA/PCIe接口，包括一个前端处理器，实现PCIe和SATA数据传输的功能；第二部分是SSD控制器的核心，解决NandFlash的写放大、数据映射、数据加密以及垃圾回收（Garbage collection）功能；第三部分后端NandFlash控制器，包含一个后端处理器。该控制器内部的数据压缩算法可以减少NandFlash数据写入量，提高使用寿命。另外，其内部还提供了RAISE（Redundant Array of Independent Silicon Elements）技术，通过该技术增强数据可靠性。RAISE技术类似于RAID，因此会降低空间使用率，每个NandFlash芯片内部都会预留一些资源块作为数据冗余空间。另外，在单个NandFlash芯片内部采用了Shield错误纠正技术，该技术采用了LDPC（Low-Density Parity Check）编解码方式。Shield技术有意思的地方是自适应动态编解码。在正常情况下，采用少量的ECC码，当NandFlash内部的出错达到一定情况后，增加ECC冗余度。增加冗余度之后，IO延迟将会增大。所以，Shield技术是一种性能和可靠性的动态平衡技术。

LSI闪存控制器在性能表现方面也不错，其公布的数据如下：

 

 

四、PMC闪存控制器

 

2013年中旬的时候PMC收购IDT公司的闪存控制器部门。使得PMC开始进攻闪存控制器市场。IDT公司推出的闪存控制器是业界第一款符合Nvme标准的PCIe闪存控制器。基于该控制器研制的PCIe闪存卡如下图所示：

 

 

 

通过IDT的控制器89HF32P08可以将Nand Flash芯片直接接入PCIe总线。和Marvell、LSI的控制器不同，PMC（IDT）的控制器显得更加强悍，其可以管理很多NandFlash芯片颗粒，即单芯片最多可以支持32通道NandFlash芯片。PMC的这款芯片主要的特点如下：

1，可订制的固件程序（Firmware）

2，支持SLC、MLC闪存芯片

3，支持第三代PCIe接口

4，标准的NVM Express控制接口

5，支持XTS-AES-256加密算法

6，防止电源故障、突然断电情况下的数据丢失或者损坏

7，数据完整性和可靠性：ECC数据纠错、闪存通道间RAID保护、端到端的数据保护

 

 

采用该控制器可以构建基于PCIe的存储卡和PCIe设备。一个Demo卡演示如下：

 

 

和LSI和Marvell的控制器相比，PMC的控制器很具竞争力。

五、总结

 

基于PCIe总线的闪存控制器是Flash存储的关键器件，也是未来的发展方向。个人认为基于Nvme标准的PCIe闪存控制器会是市场主力。