SSD 소개. 파트 2. 인터페이스

В 마지막 부분 주기 "SSD 소개" 디스크 출현의 역사에 대해 이야기했습니다. 두 번째 부분에서는 드라이브와 상호 작용하기 위한 인터페이스에 대해 설명합니다.

프로세서와 주변 장치 간의 통신은 인터페이스라고 하는 미리 정의된 규칙에 따라 발생합니다. 이러한 계약은 상호 작용의 물리적 및 소프트웨어 수준을 규제합니다.

인터페이스 - 시스템 요소 간의 상호 작용 수단, 방법 및 규칙 집합입니다.

인터페이스의 물리적 구현은 다음 매개변수에 영향을 미칩니다.

• 통신 채널의 처리량;
• 동시에 연결된 장치의 최대 수;
• 발생하는 오류의 수.

디스크 인터페이스는 I/O 포트, 메모리 I/O의 반대이며 프로세서의 주소 공간에서 공간을 차지하지 않습니다.

병렬 및 직렬 포트

데이터 교환 방식에 따라 I/O 포트는 두 가지 유형으로 나뉩니다.

• 평행;
• 일관된.

이름에서 알 수 있듯이 병렬 포트는 여러 비트로 구성된 기계어를 한 번에 전송합니다. 병렬 포트는 복잡한 회로 솔루션이 필요하지 않기 때문에 데이터를 교환하는 가장 쉬운 방법입니다. 가장 간단한 경우 기계어의 각 비트가 자체 신호 라인으로 전송되고 두 개의 서비스 신호 라인이 피드백에 사용됩니다. 데이터 준비 и 데이터 허용.

언뜻 보기에 병렬 포트는 잘 확장됩니다. 더 많은 신호 라인 - 한 번에 더 많은 비트가 전송되므로 처리량이 더 높아집니다. 그러나 신호선 수의 증가로 인해 신호선 사이에 간섭이 발생하여 전송 메시지가 왜곡됩니다.

직렬 포트는 병렬의 반대입니다. 데이터는 한 번에 XNUMX비트씩 전송되므로 전체 신호 라인 수가 줄어들지만 I/O 컨트롤러가 복잡해집니다. 송신기 컨트롤러는 한 번에 기계어를 수신하고 한 번에 한 비트씩 전송해야 하며 수신 컨트롤러는 차례로 비트를 수신하여 동일한 순서로 저장해야 합니다.

적은 수의 신호 라인을 사용하면 간섭 없이 메시지 전송 빈도를 높일 수 있습니다.

SCSI

SCSI(Small Computer Systems Interface)는 1978년에 등장했으며 원래 다양한 프로필의 장치를 단일 시스템으로 결합하도록 설계되었습니다. SCSI-1 사양은 다음과 같은 최대 8개의 장치(컨트롤러 포함) 연결을 위해 제공됩니다.

• 스캐너;
• 테이프 드라이브(스트리머);
• 광학 드라이브;
• 디스크 드라이브 및 기타 장치.

SCSI는 원래 SASI(Shugart Associates System Interface)라고 불렸지만 표준 위원회는 회사 이름을 승인하지 않았고 하루의 브레인스토밍 끝에 SCSI(Small Computer Systems Interface)라는 이름이 탄생했습니다. SCSI의 아버지인 Larry Boucher는 약어를 "sexy"로 발음하려고 했지만 달 앨런 "sсuzzy"( "말하다")를 읽으십시오. 결과적으로 "tell"의 발음은 이 표준에 확고하게 자리 잡았습니다.

SCSI 용어에서 연결된 장치는 두 가지 유형으로 나뉩니다.

• 개시제;
• 대상 장치.

개시자는 대상 장치에 명령을 보내고 대상 장치는 개시자에게 응답을 보냅니다. 이니시에이터와 타겟은 SCSI-1 표준에서 대역폭이 5MB/s인 공통 SCSI 버스에 연결됩니다.

사용된 "커먼 버스" 토폴로지는 여러 가지 제한 사항을 부과합니다.

• 버스 끝에는 터미네이터와 같은 특수 장치가 필요합니다.
• 버스 대역폭은 모든 장치 간에 공유됩니다.
• 동시에 연결할 수 있는 최대 장치 수는 제한되어 있습니다.

버스의 장치는 고유 번호로 식별됩니다. SCSI 대상 ID. 시스템의 각 SCSI 장치는 물리적 장치 내의 고유 번호로 주소가 지정되는 하나 이상의 논리 장치로 표시됩니다. 논리 장치 번호 (LUN).

SCSI의 명령은 다음 형식으로 전송됩니다. 명령 설명 블록 (Command Descriptor Block, CDB), 작업 코드와 명령 매개변수로 구성됩니다. 이 표준은 200개 이상의 명령을 XNUMX가지 범주로 구분하여 설명합니다.

• 필수 — 장치에서 지원해야 합니다.
• Optional - 구현할 수 있습니다.
• 공급업체별 - 특정 제조업체에서 사용;
• 시대에 뒤 떨어진 - 구식 명령.

많은 명령 중 세 가지만 장치에 필수입니다.

• 테스트 장치 준비 - 장치의 준비 상태 확인
• 요청 감각 — 이전 명령의 오류 코드를 요청합니다.
• INQUIRY — 장치의 주요 특성을 요청합니다.

명령을 수신하고 처리한 후 대상 장치는 실행 결과를 설명하는 상태 코드를 개시자에게 보냅니다.

SCSI(SCSI-2 및 Ultra SCSI 사양)의 추가 개선으로 사용되는 명령 목록이 확장되었고 연결된 장치 수가 최대 16개까지 증가했으며 버스의 데이터 교환 속도가 최대 640MB/s까지 증가했습니다. SCSI는 병렬 인터페이스이기 때문에 데이터 교환 빈도를 높이면 최대 케이블 길이가 줄어들어 사용에 불편이 있었습니다.

Ultra-3 SCSI 표준부터 전원이 켜져 있을 때 장치를 연결하는 "핫 플러깅" 지원이 등장했습니다.

알려진 최초의 SCSI SSD는 350년에 출시된 M-Systems FFD-1995입니다. 디스크는 비용이 많이 들고 널리 사용되지 않았습니다.

현재 병렬 SCSI는 널리 사용되는 디스크 인터페이스가 아니지만 명령 세트는 여전히 USB 및 SAS 인터페이스에서 활발하게 사용됩니다.

ATA/파타

인터페이스 ATA (Advanced Technology Attachment), 일명 PATA (병렬 ATA)는 1986년 Western Digital에서 개발했습니다. IDE 표준(Eng. Integrated Drive Electronics - "드라이브에 내장된 전자 장치")의 마케팅 이름은 중요한 혁신을 강조했습니다. 드라이브 컨트롤러는 별도의 확장 보드가 아닌 드라이브에 통합되었습니다.

드라이브 내부에 컨트롤러를 배치하기로 한 결정은 한 번에 여러 문제를 해결했습니다. 첫째, 드라이브에서 컨트롤러까지의 거리가 줄어들어 드라이브 성능에 긍정적인 영향을 미쳤다. 둘째, 내장 컨트롤러는 특정 유형의 드라이브에 대해서만 "날카롭게"되었으므로 더 저렴했습니다.

ATA는 SCSI와 마찬가지로 병렬 I/O 방식을 사용하며, 이는 사용되는 케이블에 반영됩니다. IDE 인터페이스를 사용하여 드라이브를 연결하려면 플랫 케이블이라고도 하는 40코어 케이블이 필요합니다. 보다 최근의 사양은 80와이어 스텁을 사용하며 그 중 절반 이상이 고주파에서 간섭을 줄이기 위한 접지 루프입니다.

ATA 케이블에는 XNUMX~XNUMX개의 커넥터가 있으며 그 중 하나는 마더보드에 연결되고 나머지는 드라이브에 연결됩니다. 하나의 루프에서 두 개의 장치를 연결할 때 그 중 하나는 다음과 같이 구성해야 합니다. 마스터, 그리고 두 번째로 노예. 세 번째 장치는 읽기 전용 모드에서만 연결할 수 있습니다.

점퍼의 위치는 특정 장치의 역할을 결정합니다. 컨트롤러와 관련하여 연결된 모든 장치는 슬레이브이기 때문에 장치와 관련된 마스터 및 슬레이브라는 용어는 완전히 정확하지 않습니다.

ATA-3의 특별한 혁신은 외관입니다. 자가 모니터링, 분석 및 보고 기술(SMART). XNUMX개 회사(IBM, Seagate, Quantum, Conner 및 Western Digital)가 힘을 합쳐 드라이브 상태 평가 기술을 표준화했습니다.

솔리드 스테이트 드라이브에 대한 지원은 1998년에 출시된 표준 버전 33.3부터 있었습니다. 이 버전의 표준은 최대 XNUMXMB/s의 데이터 전송 속도를 제공했습니다.

이 표준은 ATA 케이블에 대한 엄격한 요구 사항을 제시합니다.

• 깃털은 평평해야 합니다.
• 최대 열차 길이는 18인치(45.7cm)입니다.

짧고 넓은 열차는 불편하고 냉방을 방해했습니다. 표준의 각 후속 버전에서 전송 주파수를 높이는 것이 점점 더 어려워졌고 ATA-7은 문제를 근본적으로 해결했습니다. 병렬 인터페이스가 직렬 인터페이스로 대체되었습니다. 그 후 ATA는 Parallel이라는 단어를 획득하여 PATA로 알려지게 되었으며 표준의 XNUMX번째 버전은 Serial ATA라는 다른 이름을 받았습니다. SATA 버전 번호는 XNUMX부터 시작됩니다.

SATA

직렬 ATA(SATA) 표준은 7년 2003월 XNUMX일에 도입되었으며 다음과 같은 변경 사항으로 이전 표준의 문제를 해결했습니다.

• 직렬로 대체된 병렬 포트;
• 80선으로 대체된 넓은 7선 케이블;
• "공통 버스" 토폴로지가 "점대점" 연결로 대체되었습니다.

SATA 1.0(SATA/150, 150MB/s)이 ATA-6(UltraDMA/130, 130MB/s)보다 약간 더 빨랐지만 직렬 통신으로의 이동은 속도에 대한 "토대 마련"이었습니다.

ATA에서 데이터 전송을 위한 1.0개의 신호 라인이 두 개의 연선으로 대체되었습니다. 하나는 전송용이고 다른 하나는 수신용입니다. SATA 커넥터는 여러 번 다시 연결할 수 있도록 설계되었으며 SATA XNUMX 사양은 핫 플러깅을 가능하게 했습니다.

드라이브의 일부 핀은 다른 모든 핀보다 짧습니다. 이는 "핫 스왑"(Hot Swap)을 지원하기 위해 수행됩니다. 교체 프로세스 중에 장치는 미리 결정된 순서로 라인을 "잃어버리고" "찾습니다".

2004년이 조금 지난 3년 2.0월에 SATA 사양의 두 번째 버전이 출시되었습니다. 최대 XNUMXGb/s까지 가속하는 것 외에도 SATA XNUMX은 기술을 도입했습니다. 기본 명령 대기열 (NCQ). NCQ를 지원하는 장치는 수신 명령의 실행 순서를 독립적으로 구성하여 최대 성능을 달성할 수 있습니다.

그 후 2.6년 동안 SATA 작업 그룹은 기존 사양을 개선하기 위해 노력했으며 버전 XNUMX에서는 소형 슬림라인 및 마이크로 SATA(uSATA) 커넥터를 도입했습니다. 이 커넥터는 원래 SATA 커넥터의 작은 버전이며 노트북의 광학 드라이브 및 소형 드라이브용으로 설계되었습니다.

2009세대 SATA에는 HDD에 충분한 대역폭이 있었지만 SSD에는 더 많은 대역폭이 필요했습니다. 6년 XNUMX월, 대역폭이 XNUMXGb/s로 증가된 SATA 사양의 세 번째 버전이 출시되었습니다.

SATA 3.1 에디션의 솔리드 스테이트 드라이브에 특별한 관심을 기울였습니다. 노트북의 솔리드 스테이트 드라이브를 연결하도록 설계된 mSATA(Mini-SATA) 커넥터가 등장했습니다. Slimline 및 uSATA와 달리 새 커넥터는 PCIe와 전기적으로 호환되지는 않았지만 PCIe Mini처럼 생겼습니다. 새로운 커넥터 외에도 SATA 3.1은 TRIM 명령을 읽기 및 쓰기 명령과 함께 대기시키는 기능을 자랑했습니다.

TRIM 명령은 SSD에 페이로드를 전달하지 않는 데이터 블록을 알립니다. SATA 3.1 이전에는 이 명령이 캐시를 플러시하고 I/O 작업을 일시 중단한 다음 TRIM 명령을 사용했습니다. 이 접근 방식은 삭제 작업 중에 디스크 성능을 저하시켰습니다.

SATA 사양은 SSD 액세스 속도의 급속한 성장을 따라가지 못하여 2013년 SATA 3.2 표준에서 SATA Express라는 절충안으로 이어졌습니다. SATA의 대역폭을 다시 두 배로 늘리는 대신 개발자는 속도가 6Gb/s를 초과하는 널리 사용되는 PCIe 버스를 사용했습니다. SATA Express를 지원하는 드라이브는 M.2라는 자체 폼 팩터를 획득했습니다.

SAS

ATA와 "경쟁"하는 SCSI 표준도 가만히 있지 않았고 Serial ATA가 등장한 지 불과 2004년 만인 XNUMX년에 직렬 인터페이스로 다시 태어났습니다. 새 인터페이스의 이름은 Serial Attached SCSI (사초).

SAS는 SCSI 명령 집합을 물려받았지만 중요한 변경 사항은 다음과 같습니다.

• 직렬 인터페이스;
• 전원 공급 장치가 있는 29선 케이블;
• 점대점 연결

SCSI 용어도 상속되었습니다. 컨트롤러는 여전히 개시자라고 하며 연결된 장치를 대상이라고 합니다. 모든 대상 장치와 초기자는 SAS 도메인을 형성합니다. SAS에서는 각 장치가 자체 전용 채널을 사용하므로 연결 대역폭은 도메인의 장치 수에 의존하지 않습니다.

사양에 따라 SAS 도메인에서 동시 연결 장치의 최대 수는 16을 초과하며 SCSI ID 대신 식별자가 주소 지정에 사용됩니다. 월드 와이드 이름 (WWN).

WWN은 SAS 장치의 MAC 주소와 유사한 16바이트 길이의 고유 식별자입니다.

SAS와 SATA 커넥터 간의 유사성에도 불구하고 이러한 표준은 완전히 호환되지 않습니다. 그러나 SATA 드라이브는 SAS 커넥터에 연결할 수 있지만 그 반대는 아닙니다. SATA 드라이브와 SAS 도메인 간의 호환성은 SATA 터널링 프로토콜(STP)을 사용하여 보장됩니다.

SAS-1 표준의 첫 번째 버전은 대역폭이 3Gb/s이고 최신 SAS-4는 이 수치를 7Gb/s로 22,5배 개선했습니다.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express(PCI Express, PCIe)는 2002년에 등장한 데이터 전송용 직렬 인터페이스입니다. 이 개발은 Intel에서 시작되었으며 이후 특수 조직인 PCI Special Interest Group으로 이전되었습니다.

직렬 PCIe 인터페이스도 예외는 아니었고 확장 카드를 연결하도록 설계된 병렬 PCI의 논리적 연속이 되었습니다.

PCI Express는 SATA 및 SAS와 크게 다릅니다. PCIe 인터페이스에는 다양한 수의 레인이 있습니다. 줄 수는 1의 거듭제곱과 같고 범위는 16에서 XNUMX까지입니다.

PCIe에서 "레인"이라는 용어는 특정 신호 레인을 의미하는 것이 아니라 다음 신호 레인으로 구성된 별도의 전이중 통신 링크를 의미합니다.

• 수신+ 및 수신-;
• 전송+ 및 전송-;
• 네 개의 접지선.

PCIe 레인 수는 연결의 최대 대역폭에 직접적인 영향을 미칩니다. 현재 PCI Express 4.0 표준에서는 단일 라인에서 1.9GB/s, 31.5라인 사용 시 16GB/s를 달성할 수 있습니다.

솔리드 스테이트 드라이브의 "식욕"은 매우 빠르게 성장하고 있습니다. SATA와 SAS 모두 SSD와 보조를 맞추기 위해 대역폭을 늘릴 수 없었기 때문에 PCIe 연결 SSD가 도입되었습니다.

PCIe 애드인 카드는 나사로 고정되어 있지만 PCIe는 핫 스왑이 가능합니다. 짧은 핀 PRSNT(English present - present)는 카드가 슬롯에 완전히 설치되었는지 확인합니다.

PCIe를 통해 연결된 솔리드 스테이트 드라이브는 별도의 표준으로 규제됩니다. 비휘발성 메모리 호스트 컨트롤러 인터페이스 사양 다양한 폼 팩터로 구현되지만 다음 부분에서 이에 대해 이야기하겠습니다.

원격 드라이브

대규모 데이터 웨어하우스를 만들 때 서버 외부에 있는 드라이브를 연결할 수 있는 프로토콜이 필요했습니다. 이 분야의 첫 번째 솔루션은 인터넷 SCSI (iSCSI)는 1998년 IBM과 Cisco에서 개발했습니다.

iSCSI 프로토콜의 개념은 간단합니다. SCSI 명령은 TCP/IP 패킷으로 "래핑"되어 네트워크로 전송됩니다. 원격 연결에도 불구하고 드라이브가 로컬로 연결된 것처럼 클라이언트에게 착각을 줍니다. iSCSI 기반 SAN(Storage Area Network)은 기존 네트워크 인프라에 구축할 수 있습니다. iSCSI를 사용하면 SAN 구성 비용이 크게 절감됩니다.

iSCSI에는 "프리미엄" 옵션이 있습니다. 파이버 채널 프로토콜 (FCP). FCP를 사용하는 SAN은 전용 광섬유 통신 회선에 구축됩니다. 이 접근 방식은 추가 광 네트워크 장비가 필요하지만 안정적이고 처리량이 높습니다.

컴퓨터 네트워크를 통해 SCSI 명령을 전송하기 위한 많은 프로토콜이 있습니다. 그러나 정반대의 문제를 해결하고 SCSI 버스를 통해 IP 패킷을 보낼 수 있는 표준은 단 하나뿐입니다. SCSI를 통한 IP.

대부분의 SAN 프로토콜은 SCSI 명령 세트를 사용하여 드라이브를 관리하지만 다음과 같은 간단한 예외가 있습니다. 이더넷을 통한 ATA (AOE). AoE 프로토콜은 이더넷 패킷으로 ATA 명령을 보내지만 드라이브는 시스템에서 SCSI로 나타납니다.

NVM Express 드라이브의 출현으로 iSCSI 및 FCP 프로토콜은 더 이상 빠르게 증가하는 SSD 요구 사항을 충족하지 못합니다. 두 가지 솔루션이 나타났습니다.

• 서버 외부의 PCI Express 버스 제거;
• NVMe over Fabrics 프로토콜 생성.

PCIe 버스를 제거하면 복잡한 스위칭 하드웨어가 생성되지만 프로토콜은 변경되지 않습니다.

NVMe over Fabrics 프로토콜은 iSCSI 및 FCP에 대한 좋은 대안이 되었습니다. NVMe-oF는 광섬유 링크와 NVM Express 명령 세트를 사용합니다.

DDR-T

iSCSI 및 NVMe-oF 표준은 원격 드라이브를 로컬 드라이브로 연결하는 문제를 해결하는 반면 인텔은 다른 방법으로 로컬 드라이브를 프로세서에 최대한 가깝게 가져왔습니다. 선택은 RAM이 연결된 DIMM 슬롯에 떨어졌습니다. 최대 DDR4 대역폭은 25GB/s로 PCIe 버스보다 훨씬 빠릅니다. 이것이 인텔® Optane™ DC 영구 메모리 SSD가 탄생한 방식입니다.

드라이브를 DIMM 슬롯에 연결하기 위한 프로토콜이 발명되었습니다. DDR-T, 물리적 및 전기적으로 DDR4와 호환되지만 메모리 바와 드라이브의 차이를 확인하는 특수 컨트롤러가 필요합니다. 드라이브에 대한 액세스 속도는 RAM보다 느리지만 NVMe보다 빠릅니다.

DDR-T는 Intel® Cascade Lake 세대 프로세서 이상에서만 사용할 수 있습니다.

결론

거의 모든 인터페이스가 직렬에서 병렬 데이터 전송으로 먼 길을 왔습니다. SSD 속도는 치솟고 있으며, 어제 SSD는 호기심이었고 오늘날 NVMe는 더 이상 놀라운 것이 아닙니다.

우리 연구실에서 셀렉텔 연구소 SSD 및 NVMe 드라이브를 직접 테스트할 수 있습니다.

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가까운 미래에 NVMe 드라이브가 기존 SSD를 대체하게 될까요?

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출처 : habr.com