SSDの紹介。 パート 2. インターフェース

В 最後の部分 サイクル「SSD入門」ではディスクの登場の歴史についてお話しました。 XNUMX 番目の部分では、ドライブと対話するためのインターフェイスについて説明します。

プロセッサと周辺機器間の通信は、インターフェイスと呼ばれる事前定義された規則に従って行われます。 これらの協定は、物理レベルとソフトウェアレベルの相互作用を規制します。

インターフェース - システムの要素間の相互作用の手段、方法、規則のセット。

インターフェイスの物理実装は、次のパラメータに影響します。

• 通信チャネルのスループット。
• 同時に接続されるデバイスの最大数。
• 発生したエラーの数。

ディスクインターフェースは以下に構築されています I/Oポートこれはメモリ I/O の逆であり、プロセッサのアドレス空間のスペースを占有しません。

パラレルポートとシリアルポート

データ交換の方法に応じて、I/O ポートは XNUMX つのタイプに分けられます。

• 平行;
• 一貫性のある。

名前が示すように、パラレル ポートは複数のビットで構成されるマシン ワードを一度に送信します。 パラレル ポートは複雑な回路ソリューションを必要としないため、データを交換する最も簡単な方法です。 最も単純なケースでは、マシンワードの各ビットが独自の信号線で送信され、フィードバックに XNUMX つのサービス信号線が使用されます。 データ準備完了 и データが受け入れられました.

パラレル ポートは、一見すると拡張性が高く、より多くの信号線があり、より多くのビットが一度に送信されるため、スループットが高くなります。 しかし、信号線の数が増えると信号線間で干渉が発生し、送信メッセージに歪みが生じます。

シリアルポートはパラレルポートの逆です。 データは一度に XNUMX ビットずつ送信されるため、信号線の総数は減りますが、I/O コントローラーが複雑になります。 送信機コントローラーは一度にマシンワードを受信し、一度に XNUMX ビットを送信する必要があり、受信機コントローラーはそのビットを受信して​​同じ順序で格納する必要があります。

信号線の数が少ないため、干渉することなくメッセージ送信の頻度を高めることができます。

SCSI

Small Computer Systems Interface (SCSI) は 1978 年に登場し、当初はさまざまなプロファイルのデバイスを 1 つのシステムに組み合わせるように設計されました。 SCSI-8 仕様では、次のような最大 XNUMX 台のデバイス (コントローラと合わせて) の接続が規定されています。

• スキャナー。
• テープドライブ（ストリーマ）。
• 光学ドライブ。
• ディスクドライブやその他のデバイス。

SCSI はもともと Shugart Associates System Interface (SASI) と呼ばれていましたが、標準委員会は会社の名前にちなんだ名前を承認せず、XNUMX 日のブレインストーミングの後、Small Computer Systems Interface (SCSI) という名前が生まれました。 SCSI の父であるラリー・ブーチャーは、この頭字語を「セクシー」と発音することを意図していましたが、 ダル・アラン 「sсuzzy」（「伝える」）と読みます。 その後、「tell」の発音がこの標準にしっかりと定着しました。

SCSI 用語では、接続されたデバイスは XNUMX つのタイプに分類されます。

• イニシエーター。
• ターゲットデバイス。

イニシエータはターゲット デバイスにコマンドを送信し、ターゲット デバイスはイニシエータに応答を送信します。 イニシエータとターゲットは、SCSI-1 標準で 5 MB/秒の帯域幅を持つ共通の SCSI バスに接続されます。

使用される「共通バス」トポロジには、次のような多くの制限があります。

• バスの終端には特別なデバイス、つまりターミネータが必要です。
• バス帯域幅はすべてのデバイス間で共有されます。
• 同時に接続できるデバイスの最大数は制限されています。

バス上のデバイスは、と呼ばれる固有の番号によって識別されます。 SCSIターゲットID。 システム内の各 SCSI ユニットは、少なくとも XNUMX つの論理デバイスによって表され、物理デバイス内の固有の番号によってアドレス指定されます。 論理ユニット番号 (LUN)。

SCSI のコマンドは次の形式で送信されます。 コマンド説明ブロック (コマンド記述子ブロック、CDB)。オペレーション コードとコマンド パラメーターで構成されます。 この規格では 200 以上のコマンドが記述されており、次の XNUMX つのカテゴリに分類されています。

• 必須の — デバイスがサポートしている必要があります。
• オプション - 実装することができます。
• ベンダー固有 - 特定のメーカーによって使用されている。
• 廃止された - 廃止されたコマンド。

多くのコマンドのうち、デバイスに必須なのは次の XNUMX つだけです。

• テストユニット準備完了 — デバイスの準備状況を確認します。
• リクエストセンス — 前のコマンドのエラー コードを要求します。
• お問い合わせ — デバイスの主な特性をリクエストします。

コマンドを受信して​​処理した後、ターゲット デバイスは実行結果を示すステータス コードをイニシエータに送信します。

SCSI のさらなる改良 (SCSI-2 および Ultra SCSI 仕様) により、使用されるコマンドのリストが拡張され、接続されるデバイスの数が最大 16 台に増加し、バス上のデータ交換速度が最大 640 MB/秒に増加しました。 SCSIはパラレルインターフェースであるため、データ交換の頻度が高くなると最大ケーブル長が短くなり、使用上不便でした。

Ultra-3 SCSI 規格以降、電源がオンのときにデバイスを接続する「ホットプラグ」のサポートが登場しました。

最初に知られている SCSI SSD は、350 年にリリースされた M-Systems FFD-1995 でした。 このディスクは高価であったため、あまり普及しませんでした。

現在、パラレル SCSI は一般的なディスク インターフェイスではありませんが、コマンド セットは依然として USB および SAS インターフェイスで積極的に使用されています。

アタ/パタ

インターフェース ATA (先進技術アタッチメント)、としても知られています。 PATA (パラレル ATA) は、1986 年に Western Digital によって開発されました。 IDE 標準のマーケティング名 (英語、Integrated Drive Electronics、つまり「ドライブに組み込まれた電子機器」) は、重要な革新性を強調しています。ドライブ コントローラーが別個の拡張ボードではなく、ドライブに統合されているということです。

コントローラーをドライブ内に配置するという決定により、いくつかの問題が一度に解決されました。 まず、ドライブからコントローラーまでの距離が短くなり、ドライブのパフォーマンスにプラスの影響を与えました。 第二に、内蔵コントローラーは特定の種類のドライブ専用に「強化」されており、そのため安価でした。

ATA は SCSI と同様にパラレル I/O 方式を使用しており、それが使用されるケーブルに反映されています。 IDE インターフェイスを使用してドライブを接続するには、フラット ケーブルとも呼ばれる 40 芯ケーブルが必要です。 最近の仕様では 80 芯のスタブが使用されており、その半分以上は高周波での干渉を軽減するためのグランド ループです。

ATA ケーブルには XNUMX ～ XNUMX 個のコネクタがあり、そのうちの XNUMX つはマザーボードに接続され、残りはドライブに接続されます。 XNUMX つのループ内で XNUMX つのデバイスを接続する場合、そのうちの XNUMX つを次のように設定する必要があります。 Master、XNUMX番目は次のようになります スレーブ。 XNUMX 番目のデバイスは読み取り専用モードでのみ接続できます。

ジャンパの位置によって、特定のデバイスの役割が決まります。 コントローラに関しては、接続されているすべてのデバイスがスレーブであるため、デバイスに関するマスターとスレーブという用語は完全に正しいわけではありません。

ATA-3 の特別な革新はその外観です。 自己監視, 分析およびレポート技術 (SMART)。 XNUMX 社 (IBM、Seagate、Quantum、Conner、Western Digital) が提携し、ドライブの健全性評価テクノロジーを標準化しました。

ソリッド ステート ドライブのサポートは、1998 年にリリースされた規格のバージョン 33.3 から行われています。 このバージョンの標準では、最大 XNUMX MB/秒のデータ転送速度が提供されました。

この規格では、ATA ケーブルに対して次のような厳格な要件が定められています。

• プルームは平らでなければなりません。
• 列車の最大長は 18 インチ (45.7 センチメートル) です。

短くて幅の広い列車は不便で、冷却の妨げになりました。 その後の規格のバージョンが進むたびに、伝送周波数を上げることがますます困難になりましたが、ATA-7 はその問題を根本的に解決しました。パラレル インターフェイスがシリアル インターフェイスに置き換えられました。 その後、ATA は Parallel という言葉を取得して PATA として知られるようになり、この規格の XNUMX 番目のバージョンにはシリアル ATA という別の名前が付けられました。 SATA のバージョン番号は XNUMX から始まりました。

SATA

シリアル ATA (SATA) 標準は 7 年 2003 月 XNUMX 日に導入され、次の変更により以前の問題に対処しました。

• パラレルポートがシリアルに置き換えられました。
• 幅広の 80 芯ケーブルが 7 芯に置き換えられました。
• 「共通バス」トポロジは「ポイントツーポイント」接続に置き換えられました。

SATA 1.0 (SATA/150、150 MB/秒) は ATA-6 (UltraDMA/130、130 MB/秒) よりもわずかに高速でしたが、シリアル通信への移行は速度の「基礎」を築きました。

ATA でのデータ伝送用の 1.0 本の信号線は、XNUMX 本のツイストペア (XNUMX つは送信用、もう XNUMX つは受信用) に置き換えられました。 SATA コネクタは、複数回の再接続に対する耐性が高まるように設計されており、SATA XNUMX 仕様によりホットプラグが可能になりました。

ドライブ上の一部のピンは他のすべてのピンよりも短いです。 これは、「ホットスワップ」(ホットスワップ) をサポートするために行われます。 置換プロセス中、デバイスは、あらかじめ決められた順序でラインを「紛失」し、「検索」します。

2004 年余り後の 3 年 2.0 月に、SATA 仕様の第 XNUMX バージョンがリリースされました。 最大 XNUMX Gb/s の高速化に加え、SATA XNUMX テクノロジーを導入 ネイティブコマンドキューイング (NCQ)。 NCQ をサポートするデバイスは、最大のパフォーマンスを達成するために受信コマンドの実行順序を独立して編成できます。

次の 2.6 年間、SATA ワーキング グループは既存の仕様の改善に取り組み、バージョン XNUMX ではコンパクトなスリムライン コネクタとマイクロ SATA (uSATA) コネクタが導入されました。 これらのコネクタは、オリジナルの SATA コネクタの小型バージョンで、ラップトップの光学式ドライブおよび小型ドライブ用に設計されています。

第 2009 世代 SATA は HDD に十分な帯域幅を備えていましたが、SSD にはさらに多くの帯域幅が必要でした。 6 年 XNUMX 月に、帯域幅が XNUMX Gb/s に増加した SATA 仕様の XNUMX 番目のバージョンがリリースされました。

SATA 3.1 エディションでは、ソリッド ステート ドライブに特に注意が払われました。 ラップトップのソリッド ステート ドライブを接続するために設計された Mini-SATA (mSATA) コネクタが登場しました。 Slimline や uSATA とは異なり、新しいコネクタは PCIe Mini のように見えましたが、PCIe と電気的に互換性はありませんでした。 新しいコネクタに加えて、SATA 3.1 は、読み取りおよび書き込みコマンドとともに TRIM コマンドをキューに入れる機能を備えています。

TRIM コマンドは、ペイロードを運ばないデータ ブロックを SSD に通知します。 SATA 3.1 より前では、このコマンドはキャッシュをフラッシュして I/O 操作を一時停止し、その後に TRIM コマンドが続きました。 この方法では、削除操作中のディスクのパフォーマンスが低下しました。

SATA 仕様は SSD のアクセス速度の急速な成長に追いついていないため、2013 年に SATA 3.2 標準の SATA Express と呼ばれる妥協につながりました。 開発者は、SATA の帯域幅を再び 6 倍にする代わりに、速度が 2 Gb/s を超える、広く使用されている PCIe バスを使用しました。 SATA Express をサポートするドライブは、M.XNUMX と呼ばれる独自のフォーム ファクターを取得しています。

SAS

ATA と「競合」する SCSI 規格も立ち止まらず、Serial ATA の登場からわずか 2004 年後の XNUMX 年にシリアル インターフェイスに生まれ変わりました。 新しいインターフェースの名前は次のとおりです。 シリアル接続SCSI (SAS)。

SAS は SCSI コマンド セットを継承しましたが、変更は重要でした。

• シリアルインターフェース。
• 電源付き 29 芯ケーブル。
• ポイントツーポイント接続

SCSI 用語も継承されています。 コントローラーは引き続きイニシエーターと呼ばれ、接続されたデバイスはターゲットと呼ばれます。 すべてのターゲット デバイスとイニシエーターは SAS ドメインを形成します。 SAS では、各デバイスが独自の専用チャネルを使用するため、接続帯域幅はドメイン内のデバイスの数に依存しません。

仕様によれば、SAS ドメイン内の同時接続デバイスの最大数は 16 を超えており、アドレス指定には SCSI ID の代わりに識別子が使用されます。 ワールドワイドネーム (WWN)。

WWN は、SAS デバイスの MAC アドレスに似た、16 バイト長の一意の識別子です。

SAS コネクタと SATA コネクタは類似していますが、これらの規格には完全な互換性はありません。 ただし、SATA ドライブを SAS コネクタに接続することはできますが、その逆はできません。 SATA ドライブと SAS ドメイン間の互換性は、SATA トンネリング プロトコル (STP) を使用して確保されます。

SAS-1 標準の最初のバージョンの帯域幅は 3 Gb/s で、最新の SAS-4 ではこの数値が 7 倍の 22,5 Gb/s に向上しています。

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express、PCIe) は、2002 年に登場したデータ転送用のシリアル インターフェイスです。 開発はインテルによって開始され、その後特別な組織である PCI Special Interest Group に移管されました。

シリアル PCIe インターフェイスも例外ではなく、拡張カードを接続するために設計されたパラレル PCI の論理的な継続となりました。

PCI Express は SATA や SAS とは大きく異なります。 PCIe インターフェイスのレーン数は可変です。 行数は 1 のべき乗に等しく、範囲は 16 ～ XNUMX です。

PCIe の「レーン」という用語は、特定の信号レーンを指すのではなく、次の信号レーンで構成される別個の全二重通信リンクを指します。

• 受信+と受信-;
• 送信+と送信-;
• XNUMX本のアース線。

PCIe レーンの数は、接続の最大帯域幅に直接影響します。 現在の PCI Express 4.0 規格では、1.9 回線で 31.5 GB/s、16 回線使用時に XNUMX GB/s を達成できます。

ソリッド ステート ドライブの「需要」は急速に増大しています。 SATA と SAS はどちらも SSD に追いつくために帯域幅を増やすことができず、そのことが PCIe 接続の SSD の導入につながりました。

PCIe アドイン カードはネジ止めされていますが、PCIe はホットスワップ可能です。 短いピン PRSNT (英語の現在 - 現在) は、カードがスロットに完全に取り付けられていることを確認します。

PCIe 経由で接続されたソリッド ステート ドライブは別の規格によって規制されています 不揮発性メモリホストコントローラインターフェース仕様 さまざまなフォームファクターで具体化されていますが、それらについては次のパートで説明します。

リモートドライブ

大規模なデータ ウェアハウスを作成する場合、サーバーの外部にあるドライブに接続できるプロトコルが必要でした。 この分野における最初の解決策は、 インターネットSCSI (iSCSI)、1998 年に IBM と Cisco によって開発されました。

iSCSI プロトコルの背後にある考え方は単純です。SCSI コマンドは TCP/IP パケットに「ラップ」され、ネットワークに送信されます。 リモート接続にもかかわらず、ドライブがローカルに接続されているようにクライアントに錯覚させます。 iSCSI ベースのストレージ エリア ネットワーク (SAN) は、既存のネットワーク インフラストラクチャ上に構築できます。 iSCSI を使用すると、SAN を構成するコストが大幅に削減されます。

iSCSI には「プレミアム」オプションがあります - ファイバーチャネルプロトコル (FCP)。 FCP を使用した SAN は、専用の光ファイバー通信回線上に構築されます。 このアプローチには追加の光ネットワーク機器が必要ですが、安定した高スループットを実現します。

コンピュータ ネットワーク上で SCSI コマンドを送信するためのプロトコルは数多くあります。 ただし、逆の問題を解決し、SCSI バス経由で IP パケットを送信できるようにする規格が XNUMX つだけあります。 IP over SCSI.

ほとんどの SAN プロトコルは SCSI コマンド セットを使用してドライブを管理しますが、単純なプロトコルなどの例外もあります。 ATA オーバー イーサネット (AOE)。 AoE プロトコルは ATA コマンドをイーサネット パケットで送信しますが、ドライブはシステム内で SCSI として表示されます。

NVM Express ドライブの出現により、iSCSI および FCP プロトコルは、急速に増大する SSD の要件を満たせなくなりました。 解決策は XNUMX つあります。

• サーバー外部の PCI Express バスの削除。
• NVMe over Fabrics プロトコルの作成。

PCIe バスを削除すると、複雑なスイッチング ハードウェアが作成されますが、プロトコルは変更されません。

NVMe over Fabrics プロトコルは、iSCSI や FCP の優れた代替手段となっています。 NVMe-oF は、光ファイバー リンクと NVM Express コマンド セットを使用します。

DDR-T

iSCSI および NVMe-oF 標準は、リモート ドライブをローカル ドライブとして接続する問題を解決しますが、Intel は逆の方向に進み、ローカル ドライブをプロセッサにできるだけ近づけました。 選択は、RAM が接続される DIMM スロットに決まりました。 DDR4 の最大帯域幅は 25 GB/秒で、PCIe バスよりもはるかに高速です。 こうしてインテル® Optane™ DC パーシステント メモリー SSD が誕生しました。

ドライブを DIMM スロットに接続するためのプロトコルが発明されました DDR-T、物理的および電気的にDDR4と互換性がありますが、メモリバーとドライブの違いを認識する特別なコントローラーが必要です。 ドライブへのアクセス速度は RAM よりも劣りますが、NVMe よりも高速です。

DDR-T は、インテル® Cascade Lake 世代以降のプロセッサーでのみ使用できます。

まとめ

ほとんどすべてのインターフェイスは、シリアル データ伝送からパラレル データ伝送へと長い道のりを歩んできました。 SSD の速度は急上昇しており、昨日まで SSD は好奇の対象でしたが、今日では NVMe はもはや驚くべきことではありません。

私たちの研究室では セレクテルラボ SSD と NVMe ドライブを自分でテストできます。

登録ユーザーのみがアンケートに参加できます。 ログインお願いします。

近い将来、NVMe ドライブがクラシック SSD に置き換わるでしょうか?

• 視聴者の３８%がはい100

• 視聴者の３８%がNo80

180 人のユーザーが投票しました。 28名のユーザーが棄権した。

出所： habr.com