固态硬盘(SSDs)已经成为企业、数据中心和云设备必不可少的组成部分。而整个行业又把 PCIe作为SSD模块、子系统和系统的主要接口。
PCIe技术
PCIe 内联技术在高科技产品市场已被广泛熟知和了解，而且它的购买渠道众多，使用也已很普及。而对于那些还不太熟悉PCIe的人们而言，他们知道的PCIe就是 10年前发明的一项用于芯片和芯片间互联的技术，取代了被称为PCI的平行主总线，还知道PCIe的各种衍生品和后续产品以及它们增加了主总线宽度和频 率。
PCIe 是一个系列的、有差别的、基于数据包的无损协议，它在物理，链接和处理层有很多特性，因此能激活端对端连接，并实现连接故障复原。协议的具体内容是在 PCIe 机电协议的基础上补充完成的，能提供标准的连接器和信号质量。 PCIe协议可与以前的PCI系统软件和应用程序完全兼容。
它的第一代产品被称为Gen1，是一个传输速度为2.5 GT/s的串行双向接口，后来速度提高到了5.0GT/s(Gen2)，最后到了8GT/s(Gen3)。 PCI-SIG论坛已经在讨论让Gen4的速度达到16GT/s。PCIe的魅力之处在于设计者可将2个、4个、8个或16个PCIe 线路集成到一个数据端口。还有一点对于设计者来说也同等重要，就是PCIe 所有的Gen2 和 Gen3端口在速度上都能和之前的产品兼容。PCIe Gen3芯片和Gen3电路板现在都可以买到了，而PCIe Gen3的最终产品有望于2012年上半年面世。如果按照过去产品更新换代的速度来推算，Gen4产品将很可能在2015年面世。
保障产品性能、可靠性、可服务性的几大特点
PCIe 交换机的规格有多种——从3个到96个线路，以及从3个至24个端口，而且其中每个端口都可以实现1×,2×,4×和8×线宽，有些卖家甚至推出了16×线宽。其中一些交换机的带宽有非常强的可塑性。一个Gen3单线宽端口的速度是1GB/s，而一个16线端口每个方向的容量都达到了16GB。
为了丰富产品以满足市场的不同需求，PCIe 交换器生产商们对产品进行了不断的创新，使产品使用更简便、性能更高、具备失效备援、故障识别、故障隔离以及现场升级功能。芯片的众多特性，比如用于数据传输的直接内存存取(DMA)功能，失效备援时的非透明桥接功能，点对点通讯功能，用于现场升级的热插拔功能，为了保持数据完整性的错误检查/恢复功能，以及为保证传输稳定在分配内部缓冲区时的灵活性，使PCIe 交换器具备了实现上述优化和功能的可能性。
企业SSD系统设计的挑战
由于SSD是高性能企业和数据中心应用程序选用的专门存储媒介，所以现在PCIe在SSDs中发挥的作用变得更加重要。然而，低价位的非易失性存储器 (NVMs) 耐久性有限，而且因为生产技术也在不断更新，因此制造了巨大的挑战。包括：耐久性，可靠性，数据完整性，可扩展性以及带宽，性能和解决方案的成本。系统设 计者们已经为每个目标应用程序找到了平衡成本/性能的方法。
实现平衡的方法如下：
- • 选择正确的SSD控制器功能和性能;
- • 选择最佳的存储器类型混合方式—单层式存储(SLC)和多层式存储(MLC);
- • 选用非易失性存储器;以及
- • 选用内部互联技术，比如PCIe。
- 行业内的“殊途同归”
业内已经将PCIe(总线和接口标准)作为统一的内部互联技术用于企业SSD(固态硬盘)的应用程序了。事实上，由行业领头企业结成的小组在年初已经通过了一项名为NVMExpress或NVMe的规范，该规范中选择PCIe作为内部互联技术来提供克服上述挑战所需的性能。
此外，一个由10名成员组成的委员会已经开始着手制定一项基于 PCIe(SOP)的SCSI协议， 以便充分利用PCIe的技术优势。不仅如此，另外一个由存储行业领头人组成的团体也于近期宣称，他们将在下一代SATA规范，即SATAExpress中 使用PCIe作为内部互联标准。
行业达成此种一致的原因在于，现在的PCIe内部互联标准适用于所有主流的CPU设备，因此在具备广泛实用性，更短的延迟、更低成本的同时，还能提供所有必要的性能。并且，通过PCIe主机接口，所有IO控制设备，如SASA、光纤通道(FC)和以太网的广泛实用性也对助推了这种“同归”趋势。
服务器SSD模块中的PCIe
过去，企业SSD模块装载的都是SAS、SATA和FC接口。但是最近，绝大部分的提供商都已经推出了配有PCIe接口的产品。大多数SSD控制器靠负 载大量NVM功能来达到其性能和容量的峰值，如读/写功能、垃圾收集、损耗均衡、错误校正、元数据和管理。在高性能应用程序中，设计者们使用PCIe交换 器来提高SSD控制器(或 ASIC)的性能和容量。甚至配有多达8个ASICs的SSD模块已经在市场出现了。
选择PCIe 交换机的 时候，设计者们一定要确保每个端口有足够的内部数据包缓存，以及能应对任何流量骤增情况的普通缓存。此外，交换器的主进程端必须有足够的带宽，这样才能从 多个SSD ASICs那里得到或者给它们提供聚合流量。图1a表示的是PCIe交换器嵌入SSD内插卡(可应用于任何卡或模块形状系数)时的一个基本用法。一般来 讲，很多这样的模块将被装入基架服务器底板的PCIe插槽。一些底板设计可能需要额外的PCIe端口，这种端口可由PCIe交换器通过CPU的一个扇出端口提供(图1b)。
图1a
图 1b
SSD I/O扩展盒中的PCIe
大型企业系统和数据中心需要存储设备库，一般被称为I/O扩展盒和柜。过去，这些I/O扩展盒由大型HDDs阵列组成，但现在它们中有很多正在被SSD系统或SSD和HDD混合系统所取代(混合系统中，需要被服务器快速读取的数据存储在SSD中，其他数据存储在传统的HDD中)。
PCIe 交换机生产商的产品，比如像PLX 技术公司，都支持非透明(NT)端口，允许二级服务器连 接到IO扩展盒的同时，还能与常规的数据交易分离开来。而且，即使主服务器出现故障，二级服务器也能接管IO盒，实现数据的全读取(图Figure 2)。还能进一步扩展NT功能，让它为高实用性应用程序提供交换器光纤或SSD阵列冗余。系统设计者应该注意到，铜线或光纤通道均可用来建立服务器和IO 盒之间的PCIe链接。
图 2
有些PCIe交换机生产商提供了芯片上的直接内存存取驱动器，因此数据能以点对点方式从一个SSD模块移动到另一个模块，同时还不占用服务器CPU。这一机制可用于提高MLC/SLC混合系统中SLC的耐久性，从而在实现更强耐久性的同时还能有一个更好的价格/容量性价比。
高实用性多主机系统中的PCIe SSD在数据中心里，很多服务器都是通过存储区域网(SANs)共用存储系统和设备的。PCIe 光纤和基于PCIe 技术的IO也可以通过类似的方式被共享。图3展示的是一个系统，该系统中PCIe光纤将一个被共享IO盒中的一组SSD和一个特定的服务器联在了一起，通 过这种方式，I/O扩展盒中SSD的全部容量可以在与之相连的服务器之间进行分配。当SSD与服务器的连接能从一个改换到另一个上以应对增加的负载或在它 上面运行的应用程序时，这种方法会更加有效。
图 3
这一概念可以进一步拓展来支持失效备援——将应用或虚拟仪器从一个服务器移到另一个服务器。如果遇到服务器失效备援的情况，与故障服务器相连的SSD的 控制和读取就可以转移到另外那个服务器上。应用程序或虚拟仪器在服务器之间移动的时候，相关的数据无需复制到另一个SSD中;而是把与之相连的SSD改连 到一个新服务器上。这种连接可以通过一个服务器或PCIe交换器上的外部管理端口来实现。
PCIe 内联技术的使用已经在企业和数据中心的SSD系统中得到了广泛普及。今后，基于NVMe和SOP的设备投入使用后，它的重要性还有望继续攀升。现在的第三代(8GT/s)产品中，PCIe 已经可以直接用于CPU和IO设备，并已被证实可以支持铜线和光纤电缆。PCIe不仅能为SSD内联提供出色的带宽和容量，而且还提供了其他诸如非透明性，DMA和点对点传输的特性，从而让系统可靠性，耐久性，性能和成本得到了全面提升。
