Вчера был опубликован релиз спецификаций NVMe 2.0. Из скромного протокола для блочных устройств хранения данных, использующих PCI Express, NVMe эволюционирует в один из самых важных и универсальных протоколов для хранилищ практически любого типа. Новые спецификации будут способствовать развитию экосистемы устройств NVMe: SSD, карт памяти, ускорителей и даже HDD.

Вместо базовой спецификации для типовых PCIe SSD и отдельной спецификации NVMe-over-Fabrics (NVMe-oF), версия 2.0 изначально разработана как модульная и включает целый ряд отдельных стандартов: базовый набор (NVMe Base), отдельные наборы команд (NVM, ZNS, KV), спецификации транспортного уровня (PCIe, Fibre Channel, RDMA, TCP) и спецификации интерфейса управления (NVMe Management Interface). Вместе они определяют то, как программное обеспечение хоста взаимодействует с накопителями и пулами хранения данных через интерфейсы PCI Express, RDMA и т.д.

Базовая спецификация теперь охватывает и локальные устройства, и NVMe-oF, но является намного более абстрактной и не привязанной к реальному миру — было изъято столько всего, что её уже недостаточно для определения всей функциональности, необходимой для реализации даже простого SSD. Реальные устройства должны ссылаться ещё как минимум на одну спецификацию транспортного уровня и на одну спецификацию набора команд. В частности, для типовых SSD, к которым все привыкли, это означает использование спецификации транспорта PCIe и набора команд блочного хранилища.

Три стандартизированных набора команд (блочный доступ, ZNS и Key-Value) охватывают области применения от простых твердотельных накопителей с «тонкими» абстракциями над базовой флеш-памятью до относительно сложных интеллектуальных накопителей, которые берут на себя часть задач по управлению хранением данных, традиционно выполнявшихся программным обеспечением на хост-системе. При этом различным пространствам имен, расположенным за одним контроллером, дозволено поддерживать разные наборы команд.

В NVMe 2.0 также добавлен стандартный механизм управления пулами хранения данных, который позволяет более тонко управлять нагрузкой в зависимости от производительности, ёмкости и выносливости конкретных устройств. Иерархия пулов также была расширена ещё одним уровнем доменов, внутри которых теперь существуют группы, где, в свою очередь, находятся отдельные наборы NVM-устройств.

Будущие наборы команд, например для вычислительных накопителей (computational storage), все еще находятся в стадии разработки и пока не готовы к стандартизации, но новый подход NVMe 2.0 позволит легко добавить их при необходимости. В принципе, в состав NVMe мог бы войти и стандарт Open Channel, но отрасль считает, что парадигма зонированного хранения обеспечивает более разумный баланс, и интерес к Open Channel SSD ослабевает в пользу ZNS-решений.

Из прочих изенений в NVMe 2.0 можно отметить поддержку 32-бит и 64-бит CRC, новые правила безопасного отключения устройств в составе общих хранилищ (при доступе через несколько контроллеров), более тонкое управление правами доступа — можно разрешить чтение и запись, но запретить команды, меняющие настройки или состояние накопителя — и дополнительные протоколы, касающиеся обновления прошивок.

Также в NVMe 2.0 появилась явная поддержка жёстких дисков. Хотя маловероятно, что HDD в ближайшее время перейдут на использование PCIe вместо SAS или SATA, поддержка таких носителей означает, что в будущем предприятия смогут унифицировать свои SAN c помощью NVMe-oF и отказаться от старых протоколов, таких как iSCSI.

В целом, NVMe 2.0 приносит не та уж много новых функций, как это было с прошлыми версиями. Однако сама реорганизация спецификации поощряет итеративный подход и эксперименты с новыми функциями. Так что в ближайшие несколько лет, вероятно, обновления будут менее масштабными и станут выходить чаще.

Идея выделенного сопроцессора (Data Processing Unit, DPU), занятого исключительно задачами обслуживания подсистемы хранения данных, проста и логична: специализированный кремний работает эффективнее процессоров общего назначения и демонстрирует более высокую энергоэффективность. Одним из пионеров DPU является Fungible, о решениях которой мы неоднократно рассказывали ранее, но и других интересных разработок в этой области немало.

Wistron, крупный тайваньский производитель электронного оборудования, заключила альянс с Kalray, компанией, специализирующейся на разработке сетевых процессоров и сопроцессоров обработки данных. Плодом этого сотрудничества и стала новая система FURIO1200.

В основе FURIO1200 лежит стандартное шасси Wistron LYMMA 2U с посадочными местами для 24 накопителей NVMe, но таких решений на рынке много. Самое интересное в данном случае сосредоточено в PCIe-адаптере K200, построенном на базе сопроцессора Kalray MPPA Coolidge. Он предназначен для установки в стандартные вычислительные узлы на базе x86 и обеспечивает обслуживание флеш-массива, поддержку NVMe-oF, шифрования, а также разгрузку хост-узлов от задач, связанных с обработкой специфических данных, например, данных, полученных от систем машинного зрения.

В основе MPPA Coolidge лежит фирменная архитектура Massively Parallel Processor Array. Как следует из названия, она представляет собой массив вычислительных ядер. Сами ядра построены на базе архитектуры VLIW, требующей для достижения оптимального параллелизма тщательной оптимизации на уровне компилятора. Таких ядер в составе процессора может быть до 800, частота их работы — от 600 МГц до 1,2 ГГц. Ядра сгруппированы в кластеры, каждый кластер включает в себя 16 ядер общего назначения и 1 управляющее ядро, ответственное также за функции безопасности. На кластер приходится 4 Мбайт выделенного кеша L2 с пропускной способностью 600 Гбайт/с.

5 кластеров в составе Coolidge обеспечивают внушительную производительность: 1,15 Тфлопс на операциях FP32 и 25 Топс для INT8, что делает процессор хорошо подходящим для широкого круга задач, включая ИИ и системы машинного зрения. Имеется двухканальный контроллер DDR4-3200, а для общения с внешним миром предусмотрено 16 линий PCI Express 4.0 и два интерфейса 100GbE/RoCE v2.

Интересно, что процессор может работать как в классическом многоядерном режиме SMP, так и в асимметричном режиме, в котором каждый кластер, по сути, работает как один из 16 отдельных одноядерных ЦП. В FURIO1200 процессор на борту адаптера K200 работает на благо NVMe-oF, но также позволяет запускать пользовательские приложения, для чего в комплекте поставляется открытый SDK.

Архитектура процессора Kalray MPPA Coolidge

Наличие столь мощного сопроцессора не только обеспечивает FURIO1200 гибкость в обработке данных, но также позволяет добиться внушительных скоростных характеристик. Производительность на случайных операциях у новинки может превышать 12 млн IOPS при латентности в районе 20-50 мс, а на последовательных операциях — достигать 72 Гбайт/с.

Пока FURIO1200 является, скорее, концептом: первые небольшие партии будут доступны заказчикам в первом квартале, а массовое производство запланировано на середину года. Первые клиентские тесты начнутся в течение ближайших недель.

Протокол NVMe стремительно отвоёвывает позиции у более привычных SAS и SATA, что неудивительно — последние несут в себе тяжелый груз наследия механических накопителей и далеко не самым оптимальным образом работают с современными твердотельными устройствами хранения данных. В локальном масштабе проблем у NVMe нет, но крупные вычислительные системы часто нуждаются в пробросе протоколов в сетевой среде, объединяющей вычислительные узлы или соединяющей их с системами хранения данных.

FC-NVMe может параллельно работать с FC-SCSI

Довольно активно в качестве такой среды используется технология Fibre Channel. Первая волна решений шестого поколения обеспечивает передачу данных со скоростью 3200 Мбайт/с, а вторая уже рассчитана на внушительные 12800 Мбайт/с. Проблему проброса NVMe в среде Fibre Channel решила компания Cavium, известный разработчик интеллектуальных сетевых процессоров и решений. Она в числе первых обнародовала поддержку стандарта NVMe over Fibre Channel (FC-NVMe) версии 1.0. Процессоры Cavium QLogic серий 2700 и 2690 (шестое и пятое поколение FC, соответственно), используемые в адаптерах HBA, получили полную поддержку FC-NVMe 1.0 путём обновления прошивок и драйверов.

Адаптеры QLogic 2700 (поколение 6.1, 3200 Мбайт/с)

Теперь соответствующие адаптеры отлично подходят для подключения серверных систем к хранилищам данных на базе флеш-памяти, использующим протокол NVMe. Новый стандарт позволяет использовать пропускную способность Fibre Channel эффективно, без дополнительных задержек и падения производительности. В открытом доступе обновлений пока нет, но их можно запросить у продажного отдела Cavium. Рассчитаны новые драйверы на работу в среде Linux и поддерживают режимы Initiator, Target и Target SPDK. Поддерживается параллельная обработка потоков FC-NVMe и FCP-SCSI, что делает Fibre Channel ещё более универсальной технологией. В настоящее время именно Cavium является компанией, внесшей наибольший вклад в развитие технологии FC-NVMe.