PCIe SSD飞入寻常百姓家靠什么？

近几年，SSD发展势头凶猛，特别是消费级和企业级SSD均有显著的增长。在2017年第四季度，已经有超过50% notebook开始采用消费级SSD。另外，还有很多国产品牌撑起了消费级SSD零售重担。



目前消费级市场上的SSD主要有两种，一种是SATA SSD，另外一种则是PCIe SSD。其中，SATA SSD仍然是市场主导。但是，与SATA SSD相比，PCIe SSD的性能有成倍的提升，在当下，NVMe/PCIe已成为时代的趋势。预计在2018年，市场上采用PCIe Gen3的SSD将达到50%。



既然，PCIe SSD发展这么好，为啥在市场上还不能普及？归根结底，就是一个字：贵！

消费级SSD市场面对的是终端用户，而非数据中心等企业用户。消费级SSD潜在用户，在换SSD之前用的都是机械硬盘HDD，换了SATA SSD之后，性能也会有明显的提升，如非性能发烧友，何必花大价钱换PCIe SSD呢？所以，最终造成的情况就是，PCIe SSD在消费级市场只是高端旗舰电脑或者有钱人的选择，寻常百姓只能望而却步。

为了改善这种尴尬的局面，SSD厂家就开始动脑筋了，不是PCIe SSD成本高嘛，那好，我把DRAM颗粒去掉，做成DRAM-Less PCIe SSD. 很显然，省掉了DRAM芯片，成本自然下降了，对PCIe SSD的普及起到积极的促进作用。

英雄所见略同！DRAM-Less PCIe SSD已经成为了众多SSD厂商的选择，主控厂商也相继发布支持DRAM-Less的PCIe主控芯片，如Marvell的88NV1160，慧荣科技的SM2263XT等。

在PCIe SSD去掉DRAM之后，SSD端就少了缓存，为了减少缺省DRAM所带来的性能下降，人们又想到了Host Memory Buffer(HMB, 主机内存缓存区)。在NVMe 1.2 Spec开始引入HMB功能，不过，这个功能是optional，并不是必须的。HMB功能的作用就是在主机的DRAM内存中留出一块缓存区专门供SSD使用，如下图：



不过，对于HMB有几点需要注意：

(1)HMB功能由Host操纵，Enable或者Disable;

(2)初始化阶段，Host需要向controller提供一份"可用内存记录表", 以告知Controller，Host哪段内存是供SSD专属使用的；

(3)主控负责对Host提供的那段内存进行初始化；

(4)在关机或者RTD3或者其他要求Host重新分配内存的事件发生之前，Host需要告知Controller释放那段专属的内存空间；

(5)Device允许向Host要求最小分配内存空间；

(6)在发生意外插拔时，Controller需要确保数据没有丢失或者损毁。

有了HMB之后，NVMe/PCIe SSD的命令处理流程也发生了变化。

下图左是正常情况下NVMe CMD处理流程；

下图右是DRAM-Less HMB PCIe SSD的NVMe CMD处理流程；区别就是在数据会先写入HMB，当HMB写满之后，在写入NAND flash.



理解了HMB的概念，那HMB到底对SSD有没有好处呢？我们让数据说话。

顺序工作负载

从上图顺序读和顺序写的性能表现来看，HMB对顺序工作负载的性能影响不大，作用可以忽略。

随机工作负载

对于随机读，HMB对SSD性能提升效果显著，特别是1024GB SSD，加入HMB之后，性能提升了70%，全盘读性能也提升了40%。



对于随机写，HMB对SSD性能提升的效果更加明显，1024GB SSD的随机写性能直接跃升5倍之多。

通过上述实验对比发现，HMB对顺序工作负载基本没有效果，对随机工作负载的提升效果极大。

那么，这里，我们在思考一个问题：HMB的大小对随机工作负载有影响吗？

答案是肯定的，看下图：



从上图发现，当HMB的大小为1024MB时，SSD的随机工作负载效果最佳。

HMB是好，但能完全信任吗？

在HMB注意事项里，我们提到"在发生意外插拔时，Controller需要确保数据没有丢失或者损毁。" 在HMB里面存在的内容主要有：数据，mapping table, metadata等，如果发生数据丢失或者损毁，那么对用户来说，肯定是不愿意接受的。



为了保护HMB里面内容，那就需要请出End-to-End数据保护这位大神了，在这里，E2E就不再展开咯，具体参考NVMe Spec。

写在最后

看完本篇文章，我们对标题给出的疑问"PCIe SSD飞入寻常百姓家靠什么？"应该有解答了。那就是，需要依靠本文中提到的DRAM-Less和HMB来保证成本下降的同时，性能依然保持足够的竞争力。

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