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2019/06/05

[企業儲存觀察室] 2019 NVMe 產業生態概況

先前在「從資料中心儲存演變談 2019 年技術熱區」一文,筆者已經提到,NVMe 的全面採用是全快閃儲存的最後一哩路,也預估今(2019)年下半年開始,NVMe 將會在企業中開始大量的部署。筆者將分享來自於產業研究與行銷公司 G2M 去(2018)年底的一份研究報告,來看看目前 NVMe 的產業生態概況。以下文章中所提的市場供應商/型號數量,都是截止於前述報告出版時間的 2018 年底。
延伸閱讀:「NVMe 結合光纖通道前景看好?
圖片來源:G2M

NVMe 的需求起緣於 2000 年代中期 PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) 快閃儲存界面卡的發展,這些裝在伺服主機上的儲存界面卡,可以為橫向擴展的雲端應用提供較 SAS 或 SATA 更好的效能。但由於當時沒有任何儲存的通訊協定可以應用在 PCIe 界面上,每一家廠商都使用自己邏輯界面與驅動程式,也就造成了相容性的問題。2008 年的非揮發性記憶體主機控制器界面規範 (Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification, NVMHCI) 1.0,就是為了解決這個問題,這也就是 NVMe 的前身。

NVMHCI 1.0 同時也規範出經由 PCIe 存取快閃儲存的方法,並且避免對 SAS 或 SATA 的效能產生負面的影響。之後 NVMe 也繼續的演化來滿足在技術上提供更好的儲存效能,以及讓應用可利用獲得這些效能上的好處。下一個階段就是 2016 年的 NVMe-oF (NVMe over Fabrics) 規範,將 NVMe 封裝在資料中心的光纖如乙太網路(經由 RDMA 或 TCP),還是光纖通道 (FC),或 InfiniBand 裡,讓伺服主機端可以經由 NVMe-oF 存取共享的全快閃儲存系統。
圖片來源:G2M

NVMe 提供許多新方法來架構快閃伺服器與儲存,因此 NVMe 的產業生態系就發展出多樣化的硬體與軟體供應,在 NVMe 產業協會 www.nvmexpress.org 裡有超過 130 個活躍的公司與組織。整個 NVMe 產業生態系統大概可以分成幾個類別:
1. NVMe SSD,包括 NVMe U.2 SSD, M.2 SSD, PCIe AOC SSD, EDSFF SSD , ruler SSD 和 NF1 SSD 等。
2. 具有可移動式 NVMe SSD (U.2, EDSFF, ruler 或 NF1 SSD ) 的伺服器,或是稱為 NVMe 伺服器。
3. 支援可移動式 NVMe SSD 或使用 NVMe-oF 與伺服主機連接的 NVMe 全快閃陣列 (NVMe All-Flash Array, NAFA)。
4. 儲存設備 (appliance),擁有大量可移動 SSD 槽位的伺服器,運行軟體定義儲存套件來使用 NVMe SSD,或是稱為 NVMe 儲存設備。
5. 特別是為了在大型橫向擴展 (scale-out) 建置上而優化的軟體定義儲存 (SDS) 套件,也稱為 NVMe 橫向擴展快閃儲存 (NVMe Scale-Out Flash Storage, SOFS) 軟體。
6. 網路連接界面卡支援一個或多個 NVMe-oF 通訊協定,也稱為 NVMe-oF 網路界面卡。

1. NVMe SSD
市場上共有來自 41 家製造商的 128 款 NVMe SSD。根據 G2M 的研究與許多不同供應商的討論,在 2018 年底時 NVMe 企業級儲存裝置的價格帶已經與 SAS 企業級儲存裝置相當。儘管 NVMe PCIe SSD 仍然會繼續被用在 NVMe 儲存陣列和高端伺服器應用上,但預估其市佔率將會持續被轉移到 NVMe 2.5 吋 SSD。因為 U.2 NVMe SSD 的價格帶在 2019 年時將會到達 SATA SSD 的水準,所以預估 U.2 NVMe 將會是 2.5 吋企業級 SSD 主要的儲存通訊協定以及營收的來源。

2. NVMe 伺服器
理論上,任何具備 Intel Haswell 或之後處理器的伺服器都可以是 NVMe 伺服器,因為它們都可以支援 NVMe 通訊協定與 PCIe 擴充卡 (add-on card, AOC) 和 M.2 硬碟連接。但是因為大部份伺服器的 PCIe AOC 的數量限制,只有大型 3U 或 4U 的伺服器會使用 NVMe PCIe 儲存卡。相同的,大部份的伺服器只會有 1 或 2 個 M.2 槽位,因此它們通常會被用來安裝開機硬碟。

市場上共有來自 17 家製造商的 121 個型號伺服器具備特定的 NVMe 槽位。槽位的數量差別很大,有很少的 1 或 2 個槽位的,多的有 52 個槽位的,做為儲存伺服器。每一台伺服器平均的 NVMe 槽位數量是 10 個,但因為 NVMe 會取代 SAS 和 SATA,因此預估 NVMe 槽位的數量將會增加,但每一台伺服器的槽位總數量則會相對固定,當然硬碟的容量會持續增加。

3. NVMe 全快閃陣列
NVMe 全快閃陣列 (NVMe AFA, NAFA) 是 NVMe 產業生態裡最大的部份,NAFA 至少必須是以下之一:
前端利用 NVMe-oF 通訊協定與伺服主機相連,提供高效能基於 SCSI 的網路通訊協定 (FC, iSCSI, iSER) 或基於檔案的通訊協定,以及/或
後端利用 NVMe 儲存媒體如標準型式的 NVMe SSD, U.2, EDSFF, ruler, 或 NF1,還是使用客製化的快閃儲存模組。

因為第六代的光纖通道 (Gen6 FC) 網路連接界面支援 NVMe-oF,因此預估主要的 AFA 製造商會往 NVMe-oFC 移動,早期的供應商已經開始提供 NVMe-oFC 的選項。新創公司可以使用全新的設計,因此傾向於使用以乙太網路為基礎的 NVMe-oF 通訊協定如 NVMe-oRoCE。市場上有來自 17 家供應商 31 個型號的 NAFA。
G2M 預估到 2021 年,有 79% 的 AFA 將會是 NVMe AFA。

4. NVMe 儲存設備
NVMe 儲存設備就是一台儲存設備或伺服器擁有大量的 NVMe 硬碟槽位,(或是)運行著軟體定義儲存套件,以提供儲存服務,這是目前成長最快速的類別之一,另一個相關的次類別則是 JBOF (Just a bunch/box of flash)。市場上目前共有來自 8 家供應商 23 個型號的 NVMe 儲存設備,以及來自 7 家供應商 12 個型號的 JOBF。

從許多方面看來,NVMe 儲存設備可以完全地利用 NVMe 的效能改進,使它們與 NAFA 之間的界限變得模糊。預估 NVMe 儲存設備與它們的軟體將會從 NAFA 手上搶下市佔率,尤其是在公有與私有雲端平台的建置上。

5. NVMe 橫向擴展快閃儲存 SOFS 軟體
這類的軟體只有支援快閃儲存系統,特別是專門為了成百上千個運算或控制節點的快閃儲存系統,在每個節點上都有自己的快閃儲存資源。市場上目前有三家軟體供應商,Elastifile, Excelero,和 Weka.IO,提供 SOFS 軟體。NVMe 為這類軟體提供的優勢是,可以顯著的降低延遲,尤其是對於以乙太網路為基礎的 NVMe-oF 資源。

儲存設備/SDS 市場歷來都是一種「建構你自的解決方案」的方式,整合商將軟體套件和儲存設備建置成客戶隨時可用的解決方案。
SOFS 軟體是另一種使用在大規模部署的場景,實際上它還在初始的階段,對於這些大規模部署的使用者來說,SOFS 軟體將其 DAS 的架構移到網路儲存的世界。未來這些用戶是否會開發出自己的另類方案?這使得這類 SOFS 軟體供應商的超大規模市場前景並不那麼的清楚。

6. NVMe-oF 網路界面卡
如前所述,NVMe 網路界面卡就是利用現有資料中心的光纖通訊協定,如乙太網路的 iWARP, RoCE, 或 TCP,還是光纖通道 FC 或 InfiniBand,封裝 NVMe 通訊協定。NVMe-oF 網路界面卡可以分為主機端的和目標端的,使用乙太網路或是光纖通道,還是 InfiniBand。目前市場上有 5 家製造商提供 53 個型號的標準 NVMe-oF 主機端連接界面卡,其中只有 Broadcom 與 Marvell 各提供 2 個型號的 NVMe-oFC 網路界面卡,其餘的都是乙太網路的界面卡。另一個有趣的次類別是 NVMe-oF 加速卡,它們是使用系統單晶片 (system on a chip, SoC) 或 FPGA (Field-Programmable Gate Array) 架構,來加快某些 NVMe 功能的運作,或增強其它的功能。市場上目前有 7 家製造商提供這類「智慧」界面卡。

G2M 的預測是 NVMe-oF 網路界面卡將會由乙太網路主宰,主機端的標準會是 10GbE/25GbE,目標端的標準很快地會移往 40/50/100GbE。
從傳統資料中心/現在儲存系統供應商的角度看來,筆者會傾向於認為 NVMe-oFC 會比較快實現,原因說白了跟 FC 與 FCoE 的競爭是一樣的,就是 NVMe over RoCE/iWARP/TCP 如何在現有網路上實現與 NVMe-oFC 或 FC 網路相同/更快的效能?
不過因為未來的資料(雲端)中心,最大量的資料需求會在網路儲存,不論是物件儲存或是橫向擴展軟體定義儲存之上,這些儲存會基於乙太網路,並且往 NVMe-oF 移動,因此筆者的預測也有可能是錯的!
延伸閱讀:「NVMe 結合光纖通道前景看好?