CN110232039B - 可安装在机架上的数据存储系统和可编程逻辑装置 - Google Patents

可安装在机架上的数据存储系统和可编程逻辑装置 Download PDF

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Abstract

一种可安装在机架上的数据存储系统包括：机箱，包括一个或多个交换台；中间板，与所述一个或多个交换台进行接口；以及一个或多个数据存储装置，使用连接件而可移除地耦合到所述中间板。所述一个或多个数据存储装置中的至少一个数据存储装置包括与所述中间板进行接口的逻辑装置。所述逻辑装置提供对应的数据存储装置与所述中间板之间的装置专用接口。所述至少一个数据存储装置是使用所述逻辑装置基于所述连接件的引脚上的信号而根据第一协议进行配置，且所述至少一个数据存储装置可使用所述逻辑装置基于所述连接件的引脚上的信号的变化而根据第二协议进行重新配置。也提供一种可编程逻辑装置。

Description

可安装在机架上的数据存储系统和可编程逻辑装置
[相关申请的交叉参考]
本申请主张在2018年3月5日提出申请的序列号为第62/638,722号的美国临时专利申请的权利及优先权，所述美国临时专利申请的公开内容全文并入本申请供参考。
技术领域
本公开大体来说涉及数据存储装置，更具体来说涉及提供用于支持多个固态驱动器(SSD)的模块式系统架构的系统及方法。
背景技术
边缘装置(edge device)向企业或服务提供商核心网络中提供由各种移动装置产生的网络流量的入口点(entry point)。边缘装置的实例包括路由器、路由交换机、交换机、集成存取装置、多路复用器以及各种城域网(metropolitan area network，MAN)存取点及广域网(wide area network，WAN)存取点。
边缘装置可在一种类型的网络协议与另一种协议之间进行转换。一般来说，边缘装置提供对更快、更高效的骨干网络(backbone network)及核心网络的存取。边缘装置还可提供增强服务，例如虚拟专用网络(Virtual Private Network，VPN)支持、基于IP的语音(Voice over IP，VoIP)及服务品质(Quality of Service，QoS)。边缘装置可修改或可不修改边缘装置接收到的流量，此取决于边缘装置的功能以及传入流量及传出流量的通信协议。举例来说，简单的交换机对传入流量进行路由而不对传入包(incoming packet)进行任何修改，而会话边界控制器(session border controller，SBC)可在发送经修改包之前对传入包进行一些数据转换。
随着移动装置产生越来越多的数据，从这些移动装置到数据中心的数据传输量逐年显著增加。边缘装置可具有对由移动装置产生的本地数据进行预处理或者将工作负载从远程云(remote cloud)卸载到基站(base station)的能力(即，具有边缘计算的能力)。边缘装置的边缘计算能力可使移动装置与服务网络企业之间的数据传输更高效且更具有成本效益。
单个机箱中的数据存储装置可由不同的供应商来制造，且需要根据数据存储装置的预期功能以及要运行的目标应用来不同地配置。非常期望具有可支持来自不同供应商的不同类型数据存储装置的通用系统平台。另外，还期望具有可支持新兴数据存储装置(例如，基于新形状因数1(New Form Factor 1，NF1)的固态驱动器(solid state drive，SSD))的通用系统平台。
发明内容
根据一个实施例，一种可安装在机架上的数据存储系统包括：机箱，包括一个或多个交换台；中间板，与所述一个或多个交换台进行接口；以及一个或多个数据存储装置，使用连接件而可移除地耦合到所述中间板。所述一个或多个数据存储装置中的至少一个数据存储装置包括与所述中间板进行接口的逻辑装置。所述逻辑装置提供对应的数据存储装置与所述中间板之间的装置专用接口。所述至少一个数据存储装置是使用所述逻辑装置基于所述连接件的引脚上的信号而根据第一协议进行配置，且所述至少一个数据存储装置可使用所述逻辑装置基于所述连接件的所述引脚上的所述信号的变化而根据第二协议进行重新配置。
根据另一个实施例，一种可编程逻辑装置包括：寄存器；一个或多个基板管理板(baseboard management board，BMC)多路复用器；以及槽位多路复用器。所述可编程逻辑装置集成在数据存储系统的中间板中，且所述中间板包括驱动器槽，所述驱动器槽包括用于插入一个或多个数据存储装置的多个连接件。所述可编程逻辑装置使用所述一个或多个BMC多路复用器中的相应的BMC多路复用器来提供与一个或多个交换台的一个或多个BMC的接口以管理所述一个或多个数据存储装置的操作。所述一个或多个BMC多路复用器中的每一者连接到所述槽位多路复用器以使所述一个或多个交换台的BMC能够同时与所述一个或多个数据存储装置进行通信。所述可编程逻辑装置通过允许所述一个或多个BMC中的每一者存取所述寄存器来根据第一协议向所述一个或多个数据存储装置提供装置专用接口。所述可编程逻辑装置能够基于所述多个连接件中与至少一个数据存储装置对应的连接件的引脚的变化而根据第二协议来重新配置所述至少一个数据存储装置。
现将参照附图更具体地阐述包括实施方式的各种新颖细节及事件组合在内的以上及其他优选特征，且以上及其他优选特征在权利要求书中指出。应理解，本文所述具体系统及方法仅作为例示示出且不作为限制。如所属领域中的技术人员应理解，本文所述原理及特征可用于各种各样的实施例中，而此并不背离本公开的范围。
附图说明
作为本说明书的一部分而包括在内的各个附图示出当前优选的实施例，且与以上所给出的大体说明及以下所给出的对优选实施例的详细说明一起用于解释及教示本文所述原理。
图1A示出根据一个实施例的在2U机箱中构建的示例性数据存储系统的方块图。
图1B示出根据另一个实施例的在2U机箱中构建的示例性数据存储系统的方块图。
图2示出根据一个实施例的数据存储系统的中间板中所包括的示例性复杂可编程逻辑装置(complex programmable logic device，CPLD)的方块图。
图3示出根据一个实施例的包括两个小形状因数SSD的示例性数据存储装置。
图4示出根据一个实施例的在1U机箱中构建的示例性数据存储系统的方块图。
图5示出根据一个实施例的在图4所示数据存储系统中使用的示例性数据存储装置。
各个图未必是按比例绘制，且出于例示目的，在所有图中具有相似结构或功能的元件一般是由相同的参考编号表示。各个图仅旨在方便说明本文所述各种实施例。各个图并不阐述本文所公开教示内容的每一方面且并不限制权利要求书的范围。
[符号的说明]
100A、100B、200、400：数据存储系统；
101a、111a、201a：交换台/第一交换台；
101b、111b、201b：交换台/第二交换台；
102、402：中央处理器；
103、203a、203b、403：基板管理控制器(BMC)；
105、107、407：以太网交换机控制器；
106、406：PCIe交换机；
114、414：上行链路端口；
115、415：高速连接件；
116、416：管理局域网(LAN)端口；
117：非透明桥接器；
150a～150n：数据存储装置；
151：通用中间板/中间板；
152、252：复杂可编程逻辑装置(CPLD)；
153、267：配电板(PDB)；
161、251、451：中间板；
250a～250n：数据存储装置/eSSD/目标eSSD；
262：BMC多路复用器；
263：槽位多路复用器；
265：重要产品数据(VPD)；
266：电源管理总线；
271：配置寄存器；
272：现用BMC ID；
273：槽位ID；
274：存在(PRSNT)寄存器；
281a～281n：连接件；
350：数据存储装置；
351、551：控制逻辑装置；
352a、352b：存储器；
353a、353b、553：顶侧组件区域；
401：交换台；
450：eSSD/数据存储装置；
452：I2C交换机；
455a～455f：边缘SSD控制器；
Eth0：以太网端口/第一以太网端口；
Eth1：以太网端口/第二以太网端口。
具体实施方式
本文所公开的特征及教示内容中的每一者可单独使用或结合其他特征及教示内容来使用以提供一种系统及方法来提供用于支持多个固态驱动器的模块式系统架构。参照附图更详细地阐述代表性实例，这些代表性实例单独地使用及组合地使用这些附加特征及教示内容中的许多特征及教示内容。此详细说明仅旨在向所属领域中的技术人员教示用于实践本教示内容的各个方面的进一步细节，而并非旨在限制权利要求书的范围。因此，在本详细说明中以上所公开特征的组合可能未必是在最广泛意义上实践本教示内容所必需的，而是相反，仅是为了具体阐述本教示内容的代表性的实例而教示。
在以下说明中，仅出于解释目的来阐述特定术语以提供对本公开的透彻理解。然而，对于所属领域中的技术人员而言将显而易见，这些特定细节并非是实践本公开的教示内容所必需的。
本文的详细说明的一些部分是以算法及对计算机存储器内的数据位进行的操作的符号表示法来呈现。这些算法描述及表示法被数据处理领域中的技术人员用于向所属领域中的其他技术人员有效地传达其工作的实质。算法在此处且一般而言均被视为能得到所期望结果的步骤的自洽序列(self-consistent sequence)。所述步骤需要对物理量进行实体操纵。通常(尽管未必一定如此)，这些量会呈能够被存储、传输、组合、比较及以其他方式被操纵的电信号或磁信号的形式。已证明，主要出于通用的原因，将这些信号称为位、值、元件、符号、字符、项、数字等有时是便利的。
然而，应记住，这些用语中的所有用语及所有相似用语均与适宜的物理量相关联且仅作为应用于这些量的便利标记。除非通过阅读以下论述显而易见地另有具体说明，否则应理解，在本说明通篇中，使用例如“处理(processing)”、“计算(computing)”、“运算(calculating)”、“判断(determining)”、“显示(displaying)”等用语进行的论述是指计算机系统或相似电子计算装置的动作及进程，所述计算机系统或相似电子计算装置操纵在计算机系统的寄存器及存储器内被表示为物理(电子)量的数据并将所述数据转换成在计算机系统存储器或寄存器或者其他这种信息存储装置、信息传输装置或信息显示装置内被相似地表示为物理量的其他数据。
另外，代表性实例及附属权利要求的各个特征可并未具体地及明确地枚举的方式加以组合以提供本教示内容的附加的有用实施例。还应明确注意，出于原始公开内容的目的以及出于限制所主张主题的目的，所有值范围或对实体的群组的指示均用于公开每个可能的中间值或中间实体。还应明确注意，图中所示各组件的尺寸及形状被设计成有助于理解如何实践本教示内容，而并非旨在限制实例中所示尺寸及形状。
本公开阐述一种通用系统平台以及一种多模式存储装置(multi-mode storagedevice)，所述通用系统平台可支持由不同供应商制造的不相同的跨结构的非易失性存储器快速(non-volatile memory express，NVMe)(NVMe over fabrics，NVMe-oF)装置，所述多模式存储装置可被配置成NVMe装置或NVMe-oF装置。根据一个实施例，本通用系统平台可指可安装在机架上的机箱(或壳体)，所述可安装在机架上的机箱(或壳体)包括中间板以及可分别接纳多个NVMe装置或NVMe-oF装置的一个或多个母板(在NVMe装置的情形中)或一个或多个交换台(在NVMe-oF装置的情形中)。本通用系统平台可支持具有标准U.2连接件的NVMe-oF装置(例如，PM1725a/1735SSD)以及使用M.2连接件的新兴装置(例如，基于新形状因数1(NF1)的SSD)。
多模式跨结构的非易失性存储器快速(NVMe)(NVMe-oF)装置可通过探测来自已知位置或机箱类型引脚(例如，根据多模式NVMe-oF装置所插入到的机箱类型而定，为引脚E6或U.2连接件的由供货商定义的预留引脚)的信息来支持NVMe协议或NVMe-oF协议。如果将多模式NVMe-oF装置插入到NVMe机箱的驱动器槽，则嵌入式外围组件互连快速(peripheralcomponent interconnect express，PCIe)引擎驱动U.2连接件的所有四个PCIe通道。在这种情形中，NVMe-oF装置禁用嵌入式以太网引擎，并支持或启用所有的NVMe命令及功能。另一方面，如果将多模式NVMe-oF装置插入到NVMe-oF机箱的驱动器槽中，则NVMe-oF装置的以太网端口将被启用并用作数据平面。在这种模式中，乘4(X4)PCIe通道作为呈两个乘2(X2)PCIe通道形式的两个控制平面来进行操作。
根据一个实施例，本通用系统平台的中间板可支持NVMe装置及NVMe-oF装置二者以及可被配置成NVMe装置或NVMe-oF装置的本多模式存储装置。当被配置成NVMe模式时，本多模式存储装置相当于NVMe装置；且当被配置成NVMe-oF模式时，本多模式存储装置用作NVMe-oF装置，所述NVMe-oF装置将U.2连接件上的串行附接小型计算机系统接口(smallcomputer system interface，SCSI)(Serial attached SCSI，SAS)引脚用于一个或多个以太网端口。
根据一个实施例，本通用系统平台的中间板可支持高可用性(highavailability，HA)(双端口)模式或非HA(单端口)模式二者。可向所述中间板预先路由高速信号、时钟信号及控制信号以支持HA模式，在所述HA模式中，两个交换台可经由两个PCIe交换机的非透明桥接器(Non-Transparent Bridge，NTB)117来与彼此进行通信。一般来说，可支持HA模式的NVMe-oF装置可更昂贵。本通用系统平台可通过基于系统配置以及基于使用可支持HA模式及非HA模式二者的中间板的应用来支持HA模式及非HA模式二者，从而提供规模经济。当被配置成非HA模式时，本通用系统平台将单个乘2(X2)PCIe通道作为控制平面用于所有的标准特征。当被配置成HA模式时，本通用系统平台将所述四个PCIe通道分成分别用于端口A及端口B的两个乘2(X2)PCI通道。以太网信号将一些SAS引脚(例如，S2、S3、S5及S6)用于主要以太网端口(例如，Eth0)且将其他SAS引脚(例如，S9、S10、S12及S13)用于辅助以太网端口(例如，Eth1)。引脚E25(DualPort_EN#)用于启用双端口配置。举例来说，当对引脚E25施加低电平时，NVMe-oF装置以双端口模式操作，否则，NVMe-oF装置以单端口模式操作。所述两个PCIe交换机106经由相应的NTB端口连接到彼此。
在NVMe-oF的情形中，本通用系统平台的交换台使用所述两个乘2(X2)PCIe通道作为控制平面来无任何附加成本地与附接到机箱的NVMe-oF装置中的每一者进行通信。可对基于NVMe的机箱或基于NVMe-oF的机箱二者使用同一中间板。因此，本通用系统平台可提供较快的上市时间及较低的开发风险。本通用系统平台可线性地缩放数据存储系统的性能，并且每个槽位每一种小形状因数提供更多SSD。
根据一个实施例，可不加修改地使用现有的PCIe驱动器来支持本通用系统平台及本多模式存储装置。另外，本通用系统平台可重复使用各种形状因数(例如，1U机箱及2U机箱)的母板或交换台。
本通用系统平台可降低每单位数据存储装置的边缘装置或数据存储服务器成本，这是因为同一数据存储装置可用作NVMe装置或NVMe-oF装置。另外，本多模式数据存储装置可用于各种产品中和/或附接到数据中心中的可安装在机架上的机箱。
根据一个实施例，本通用系统平台的中间板包括用于管理中间板操作的复杂可编程逻辑装置(CPLD)。CPLD经由集成电路总线(Inter-Integrated Circuit，I2C)和/或系统管理总线(System Management Bus，SMBus)与所附接的母板或交换台的BMC进行通信。每一个母板或交换台的BMC可帮助探测及协调与其附接的不同类型的数据存储装置的行为。
根据一个实施例，中间板可不提供计算支持。而是，放置在中间板与SSD之间的SSD中插转卡(interposer card)(未示出)可包含现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGate Array，FPGA)或应用专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)以与中间板进行接口，从而对其自身接口的优化进行管理。举例来说，SSD插转卡可与BMC协同地利用中间板来管理所附接的SSD。
本通用系统平台的中间板可包括一个或多个边缘SSD控制器，多个SSD可插接到所述一个或多个边缘SSD控制器。中间板可被配置成根据系统的配置(例如1U机箱及2U机箱)而定将所述一个或多个边缘SSD控制器连接到母板或交换台。所述多个边缘SSD控制器中的每一者可与多个SSD(例如，4个以太网SSD(Ethernet SSD，eSSD))直接进行接口。eSSD中的每一者可具有其自身的轻量级ASIC(lighter-weight ASIC)且可具有小形状因数，举例来说，与下一代小形状因数(Next Generation Small Form Factor，NGSFF)或新形状因数1(NF1)标准兼容。
图1A示出根据一个实施例的在2U机箱中构建的示例性数据存储系统的方块图。数据存储系统100A包括可并排放置在可安装在2U机架上的机箱中的两个交换台101a与交换台101b。除所述两个交换台101a及101b在机箱内的布置外，所述两个交换台101a及101b可为相同的。根据系统配置而定，数据存储系统100A可仅包括一个交换台。在下文中，所述两个交换台101a及101b可共同地或单独地称为交换台101。
交换台101a或101b中的每一者包括中央处理器(central processing unit，CPU)102、基板管理控制器(BMC)103、以太网交换机控制器105、PCIe交换机106、包括以太网端口及PCIe端口在内的多个上行链路端口114、用于经由通用中间板151来与多个数据存储装置150a～150n(例如，NVMe SSD或以太网SSD(eSSD))进行接口的高速连接件115以及管理局域网(local area network，LAN)端口116。数据存储装置150a～150n的实例是由三星电子有限公司(Samsung Electronics，Co.Ltd.)设计及制造的PM1725a NVMe SSD。在下文中，用语“数据存储装置”与“eSSD”可互换使用以便于在一些实施例中进行解释；然而应理解，数据存储装置150a～150n可为任何类型的数据存储装置，例如NVMe SSD、以太网SSD及可被配置成NVMe SSD或NVMe-oF SSD的多模式SSD。
BMC 103是本地服务处理器，其可使用各种传感器(例如，电源状态传感器(未示出)及温度传感器)来监视对应的交换台101的物理状态。BMC 103可使用具有显示器的便携式装置通过独立的通信路径(例如，管理LAN端口116或系统管理总线(SMBus)(未示出))来与服务管理员进行通信。
上行链路端口114可连接到运行应用的主机计算机，且在主机计算机上运行的应用可对数据存储装置150a～150n进行存取以经由上行链路端口114存储数据并对所存储的数据进行存取。当数据存储系统100A是NVMe-oF系统时，主机计算机可经由结构网络(例如，以太网、光纤信道及InfiniBand)对数据存储装置150a～150n进行存取。
举例来说，上行链路端口中的每一者是100千兆位以太网(Gbe)端口。在NVMe-oF的情形中，主机计算机可向交换台101发送以太网包，以太网包包括要对数据存储装置150a～150n上的数据进行读取、修改及写入的命令。在NVMe的情形中，数据存储装置150a～150n附接到传统的基于X86的母板(未示出)。
管理LAN端口116可连接到外部管理交换机(未示出)。系统管理员可经由智能平台管理接口(intelligent platform management interface，IPMI)协议直接通过管理LAN端口116来监视多个交换台的状态。IPMI协议允许使用IPMI消息通过管理LAN端口116在系统管理员与BMC 103之间进行通信。交换台101可包括其他组件、电路和/或子系统(例如，一个或多个双倍数据速率4(dual data rate 4，DDR4)双列直插式存储器模块(dual in-linememory module，DIMM)以便于向数据存储装置150a～150n传输数据以及从数据存储装置150a～150n传输数据并对数据存储装置150a～150n进行控制及有效地管理。
根据一个实施例，多达24个数据存储装置150a～150n可耦合到数据存储系统100A的交换台101a及101b中的每一者。因此，总共24个数据存储装置150a～150n可附接到数据存储系统100A。举例来说，交换台101a经由以太网端口0耦合到eSSD1到eSSD24，且交换台101b经由以太网端口1耦合到eSSD1到eSSD24。每一个eSSD可支持高达每秒700k的输入/输出操作(input/output operation，IOP)。对于随机读取输入/输出(input/output，I/O)而言，数据存储系统100A的估计性能为约1680万IOP(每一个eSSD进行24次700k IOPS)。
eSSD1到eSSD24中的每一者可被配置成以NVMe模式或NVMe-oF模式操作。举例来说，数据存储装置150a～150n是被配置成以NVMe-oF模式操作的NVMe-oF装置(或eSSD)。在这种情形中，所述四个PCIe通道(2X PCIe)中的两个PCIe通道被配置成连接到第一交换台101a的高速连接件115，且其余两个PCIe通道被配置成连接到第二交换台101b的高速连接件115。相似地，第一以太网端口(Eth0)被配置成连接到第一交换台101a的高速连接件115，且第二以太网端口(Eth1)被配置成连接到第二交换台101b的高速连接件115。发送到数据存储装置150a～150n中的每一者以及从数据存储装置150a～150n中的每一者接收的以太网流量及PCIe流量分别通过以太网交换机控制器105及PCIe交换机106进行路由。
根据一个实施例，中间板151包括用于管理中间板操作的复杂可编程逻辑装置(CPLD)152。CPLD 152与所附接的交换台101的BMC 103进行通信。CPLD 152及每一个交换台101的BMC 103可帮助探测及协调附接到机箱的不同类型的数据存储装置150a～150n的行为。举例来说，CPLD 152通过测量高速连接件115上与数据存储装置150a～150n对应的专用引脚上的电压来探测在每一个槽位中是否存在数据存储装置150a～150n。
CPLD 152可为BMC 103提供各种支持来管理数据存储装置150a～150n。举例来说，CPLD 152经由专用SMBus和/或I2C端口将BMC 103连接到所附接的数据存储装置150a～150n(在数据存储系统100A中多达24个)。由于每一个数据存储装置150a～150n具有相同的传感器地址这一限制，因此CPLD 152可允许BMC 103每次一个地与每一个数据存储装置150a～150n进行通信。数据存储装置150a～150n可附接到机箱的支持具有2.5英寸小形状因数的驱动器的相应驱动器槽位。CPLD 152还可提供连接到BMC 103的I2C端口以提供带有保护机制的可靠的I2C通信，从而使每一组数据存储装置150a～150n(例如，四个数据存储装置150a～150n)能够接通电源/断开电源。CPLD 152可通过经由PM总线(如果具有)对关于电源供应单元(power supply unit，PSU)的信息进行存取来进一步点亮多达24个数据存储装置150a～150n在中间板151上的指示灯(例如，驱动器故障发光二极管(Light EmittingDiode，LED))并将逻辑控制及通电/断电时序控制复位。
根据一个实施例，数据存储系统100A包括配电板(power distribution board，PDB)153。配电板153可包括冗余电源供应单元(PSU)，冗余电源供应单元向交换台101a及101b中的每一者的热插拔控制器(未示出)供应电力(例如，12V)。热插拔控制器使数据存储装置150a～150n能够在不将交换台101断开电源的条件下附接到机箱或从机箱分离。
图1B示出根据另一个实施例的在2U机箱中构建的示例性数据存储系统的方块图。数据存储系统100B包括一个或两个交换台111a及111b、配电板153及中间板161。当数据存储系统100B包括两个交换台111a及111b时，除所述两个交换台111a及111b在机箱内的布置外，所述两个交换台111a与交换台111b可为相同的。根据系统配置而定，数据存储系统100B可仅包括一个交换台。在下文中，所述两个交换台111a及111b可共同地或单独地称为交换台111。
类似于图1A所示数据存储系统100A，数据存储系统100B被包封在2U机箱中且包括两个交换台111a及111b。数据存储系统100B可包括不同类型的以太网交换机控制器107以及中间板161的驱动器槽，驱动器槽用于接纳与数据存储系统100A的数据存储装置150a～150n具有不同的形状因数的数据存储装置250a～250n。数据存储装置150a～150n与数据存储装置250a～250n可使用相同的M.2连接件。
由于架构差异，与包括在数据存储系统100A的中间板151中的SSD控制器相比，包括在用于与数据存储装置250a～250n进行接口的中间板161中的SSD控制器可具有不同的配置及设计。举例来说，包括在数据存储系统100B的交换台111中的以太网交换机控制器107是由博通公司(Broadcom)设计及制造的三戟叉(Trident)系列交换台，而包括在图1A所示数据存储系统100A的交换台101中的以太网交换机控制器105是由博通公司设计及制造的战斧(Tomahawk)系列交换台。数据存储系统100B的成本可与数据存储系统100A的成本相当或更低，这是因为包括在数据存储系统100B的交换台111中的以太网交换机控制器107比包括在数据存储系统100A的交换台101中的以太网交换机控制器105廉价；然而，以太网交换机控制器107可具有较大大小的缓冲器，这些缓冲器相比于联网应用而言更适合于存储应用。另外，即使数据存储系统100B中的数据存储装置250a～250n的单独的IOPS性能(例如，550k IOPS)可能低于数据存储系统100A中的数据存储装置150a～150n的IOPS性能(例如，700k IOPS)，然而由于可同时及独立存取的数据存储装置150a～150n的数目增大(例如，数据存储系统100B中的48个数据存储装置250a～250n相对于数据存储系统100A中的24个数据存储装置150a～150n)，因此数据存储系统100B的IOPS性能可与数据存储系统100A的IOPS性能相同或好于数据存储系统100A的IOPS性能。
根据一个实施例，包括在数据存储系统100B中的数据存储装置250a～250n可具有一个或多个NGSFF形状因数SSD(在本文中也被称为NF1SSD)。在一些实施例中，NGSFF形状因数或NF1形状因数也可被称为M.3形状因数。NF1SSD使用M.2连接件但具有用于容纳更宽的印刷电路板(PCB)的形状因数以为附加电路(例如，FPGA或ASIC)和/或与非封装(NANDpackage)提供更多空间。举例来说，NF1SSD的宽度为30.5mm且长度为110mm。相比之下，标准M.2模块可具有各种宽度(例如，12mm、16mm、22mm及30mm)及长度(例如，16mm、26mm、30mm、38mm、42mm、60mm、80mm及110mm)。在一个实施例中，每一个数据存储装置250a～250n可容纳两个SSD以使得可附接到数据存储系统100B且可同时及独立存取的SSD的最大数目是48。相比之下，图1A所示数据存储系统100A的数据存储装置150a～150n可仅具有一个SSD，且可附接到数据存储系统100A的SSD的最大数目是24。
根据一个实施例，交换台111a或111b的以太网交换机控制器107可由以太网转发器(Ethernet repeater)或重新定时器(re-timer)取代。包括在以太网交换机控制器107中的转发器可经由高速连接件115向数据存储装置250a～250n提供上行链路端口114与下行链路端口之间的以太网信号的有效传递。举例来说，第一交换台111a的转发器可经由中间板161来不仅有效地传递(pass through)(即，将信号放大以进行远程信号传输)eSSD1到eSSD24的被附接到第一交换台111a的端口0的以太网信号而且还有效地传递eSSD1到eSSD24的被附接到第二交换台111b的以太网端口1的以太网信号。相似地，第二交换台111b的转发器可经由中间板161来不仅有效地传递eSSD1到eSSD24的被附接到第二交换台111b的端口1的以太网信号而且还有效地传递eSSD1到eSSD24的被附接到第一交换台111a的以太网端口0的以太网信号。
在HA模式中，交换台111a的PCIe交换机106可使用所附接的eSSD的U.2连接件的所述两个PCIe通道0及PCIe通道1作为第一以太网端口(以太网端口0)的控制平面。所述第一对SAS端口0可用于第一以太网。交换台111a或111b的PCIe交换机106可与所有的eSSD1到eSSD24的PCIe端口A进行通信。相似地，交换台111b的PCIe交换机106可使用所附接的eSSD的U.2连接件的所述两个PCIe通道2及3作为第二以太网端口的控制平面。所述第二对SAS端口1用于第二以太网端口(例如，以太网端口1)。交换台111b的PCIe交换机106可与所有的eSSD1到eSSD24的PCIe端口1进行通信。
所附接的eSSD中的每一者可通过在PCIe交换机106与eSSD之间建立的控制平面经由PCIe交换机106将一些装置专用信息提供到BMC 103。可通过控制平面载送的这种装置专用信息的实例包括但不限于eSSD的发现信息(discovery information)及预留供未来使用(Reserved For Future Use，FRU)信息。
中间板161可为在图1A所示数据存储系统100A中使用的相同的中间板。然而，与仅包括一个SSD的数据存储系统100A(例如，包括一个PM1725a SSD的数据存储装置150a～150n)相比，数据存储系统100B可容纳可同时及独立存取的一个或多个NF1SSD(例如，包括两个SSD的数据存储装置250a～250n)。包括在数据存储装置250a～250n中的SSD中的每一者的最大I/O性能是550k IOP。在这种情形中，数据存储系统100B的预期最大I/O性能是2450万IOP(每一个SSD进行48次550k IOP)。根据一个实施例，数据存储系统100B还可容纳具有一个SSD的一个或多个数据存储装置150a～150n。换句话说，图1A所示数据存储装置150a～150n向后兼容数据存储系统100B(具有M.2连接件)，但是可能需要新的控制逻辑设计来使图1B所示数据存储装置250a～250n在图1A所示数据存储系统100A中正常工作。新的控制逻辑可构建在SSD插转卡中或者构建在数据存储装置250a～250n内部(例如，在图3所示控制逻辑装置351中)。单个SSD需要单个PCIe根端口(root port，RP)。数据存储装置250a～250n中的所述两个SSD将需要两个PCIe根端口，且所述两个PCIe根端口需要由新的控制逻辑构建。在这种情形中，数据存储系统100B的最大性能可从2640万最大IOP(即，具有24个eSSD 250a～250n，且eSSD 250a～250n中的所述两个SSD中的每一者进行550k IOP)增大到3360万最大IOPS(即，具有48个eSSD 250a～250n，且eSSD 250a～250n中的所述两个SSD中的每一者进行700k IOP)。根据系统配置及目标成本，可通过选择不同的数据存储系统及不同的数据存储装置来实现不同的输入/输出性能。
图2示出根据一个实施例的数据存储系统的中间板中所包括的示例性CPLD的方块图。数据存储系统200包括两个交换台201a及201b、中间板251及经由相应的连接件281a-281n(例如，U.2连接件、M.2连接件)附接到中间板251的多个数据存储装置250a～250n。配电板(PDB)267可经由电源管理总线(PMBus)266对CPLD 252的寄存器进行存取。I2C或槽位多路复用器263用于使BMC 203a或203b能够每次一个地与每一个eSSD 250a～250n进行通信。当在系统中存在多于一个BMC 203a和203b时使用BMC多路复用器262。交换台201a和201b中的每一者具有BMC 203a或203b以及如参照图1A及图1B所示数据存储系统100A及100B阐述的其他组件(未示出)。为便于例示，图2在交换台201a或201b中仅示出BMC 203a或203b。中间板251包括CPLD 252以及可存储在电可擦可编程只读存储器(electricallyerasable programmable read-only memory，EEPROM)芯片中的重要产品数据(vitalproduct data，VPD)265。VPD 265可包含由交换台201a或201b的制造商设定的产品专用数据。
当所述两个交换台201a与交换台201b并排放置(例如，图1A)而不是上下叠置地放置(例如，图1B)时，可能没有足够的物理空间来放置数目为交换台201a和201b中的每一者与中间板251之间的接口引脚的数目的连接件，这是因为交换台201a和201b中的每一者与中间板251之间的接口区域减少了一半。
BMC 203a或203b可对CPLD 252的寄存器空间进行存取以对所附接的eSSD 250a～250n中的每一者的配置进行设定、读取所连接的eSSD 250a～250n中的每一者的状态或者对所连接的eSSD 250a～250n中的每一者执行动作。CPLD 252的寄存器包括但不限于配置寄存器271、现用BMC ID 272、槽位ID 273及存在(PRSNT)寄存器274。现用BMC ID 272是指所述两个交换台201a及201b的BMC 203a及203b中的现用BMC的标识符。槽位ID 273是指数据存储系统的驱动器槽位中的每一者的标识符，例如1-24。存在寄存器274是指由槽位ID273标识的对应槽位中的每一个eSSD 250a～250n的存在/不存在的状态。
在系统启动或复位之后，CPLD 252将第一交换台201a上的BMC 203a指定为CPLD252默认的现用BMC，而无论机箱中是否存在第二交换台201b。如果现用BMC 203a断电或出现故障，则另一个BMC 203b便可扮演现用BMC的角色。当默认BMC 203a从故障中恢复时，BMC203a可从BMC 203b接管现用角色。
现用BMC可通过对规定的恰当槽位ID 273读取或写入寄存器状态来对相应的eSSD250a～250n进行配置，从而在现用BMC与目标eSSD 250a～250n之间进行SMBus/I2C连接。在建立连接之后，BMC 203a或203b可将命令发送到目标eSSD 250a～250n的传感器地址。BMC203a或203b还可对驱动器及槽位状态寄存器进行读取并对目标eSSD 250a～250n执行预期动作。
图3示出根据一个实施例的包括两个小形状因数SSD的示例性数据存储装置。数据存储装置350包括控制逻辑装置351(例如，FPGA或ASIC)、用于提供相应的SSD(例如，NF1SSD)的表面区域的两个顶侧组件区域353a及353b、以及分别耦合到控制逻辑装置351的处理器子系统(processor subsystem，PS)及可编程逻辑(programmable logic，PL)中的每一者的存储器352a及352b。控制逻辑装置351可与其他组件(例如，电压调节器及I2C交换机)一起放置在数据存储装置350的PCB的一侧上。控制逻辑装置351可经由连接件(例如，U.2连接件、M.2连接件)来与图1B所示交换台101上的PCIe交换机(例如，PCIe交换机106)进行通信，并对数据存储装置350中所包括的所述两个小形状因数SSD相应地进行配置及操作。根据一个实施例，数据存储装置350可被配置成以HA模式或非HA模式操作。如果PCIe RP探测到两个X4装置或DualPort_En#引脚被施加电平，则启用PCIe EP#2及以太网端口。另外，数据存储装置350如图1A所示数据存储装置150a～150n一样是可热插拔的。在图3中，所示出的数据存储装置350的方块布局示出相应的SSD的顶侧组件区域353a及353b被与控制逻辑装置351及存储器352a及352b(以及其他组件)分开放置。然而，在物理布局中，包括在数据存储装置350中的所述两个SSD的顶侧组件区域353a及352b可部分地或完全地与控制逻辑装置351的区域重叠，以减小数据存储装置350的占用空间。
根据一个实施例，控制逻辑装置351提供掉电保护。在正常断开电源时间段期间，主机计算机通过向数据存储装置350传送待机命令来分配时间以保持数据完整性。在意外掉电事件中，数据存储装置350的内部缓冲器(例如，DRAM)中的高速缓存数据可能会丢失。高速缓存数据的丢失可能伴随意外停电一起发生以及在用户从机箱拔出数据存储装置350时发生。控制逻辑装置351可防止由意外关闭电源导致的数据丢失。在探测到故障或热插拔时，包括在数据存储装置350中的SSD立即使用其中存储的能量(例如，钽电容器)来提供足够的时间将缓冲器中的高速缓存数据传输到闪存存储器，从而确保没有数据丢失。用于掉电保护的从缓冲器到闪存存储器的数据传输的定时及延迟可根据数据存储装置350的类型而异。
图4示出根据一个实施例的在1U机箱中构建的示例性数据存储系统的方块图。1U机箱可包括交换台401及中间板451。交换台401可包括CPU 402(例如，X86处理器)、BMC403、PCIe交换机406、以太网交换机控制器407、管理LAN端口416、上行链路端口414及高速连接件415以经由中间板451来与一个或多个eSSD 450进行接口。交换台401可与图1B所示交换台111a或111b相同。图1B所示相同的交换台111a或111b可重复使用，但中间板451可能需要新的控制逻辑(例如，FPGA及ASIC)来用于1U机箱中。
根据一个实施例，中间板451包括一个或多个边缘SSD控制器455a～455f。每一个边缘SSD控制器455a～455f可支持及控制多达四个数据存储装置450(例如，eSSD)。
根据一个实施例，中间板451包括I2C交换机452，I2C交换机452被配置成为BMC403提供带有保护机制的通信，以对所附接的数据存储装置450进行接通电源/断开电源。由于每一组中的数据存储装置450具有相同的传感器地址这一限制，BMC 403可每次一个地与每一个数据存储装置450进行通信。具有NF1形状因数的数据存储装置450可附接到边缘SSD控制器的相应驱动器槽位。每一个边缘SSD控制器455a～455f可对耦合在一起的一组四个数据存储装置450进行接通电源/断开电源。
图5示出根据一个实施例的在图4所示数据存储系统400中使用的示例性数据存储装置。数据存储装置450可具有足以经由连接件(例如，U.2连接件、M.2连接件)附接到图4所示边缘SSD控制器455a～455f的NF1形状因数(也被称为M.3形状因数或NGSFF)。数据存储装置450包括控制逻辑装置551(例如，ASIC)，控制逻辑装置551被配置成与安装在顶侧组件区域553上的一个或多个闪存装置(例如，SSD)进行通信。
根据一个实施例，一种可安装在机架上的数据存储系统包括：机箱，包括一个或多个交换台；中间板，与所述一个或多个交换台进行接口；以及一个或多个数据存储装置，利用连接件而可移除地耦合到所述中间板。所述一个或多个数据存储装置中的至少一个数据存储装置包括与所述中间板进行接口的逻辑装置。所述逻辑装置提供对应的数据存储装置与所述中间板之间的装置专用接口。所述至少一个数据存储装置是使用所述逻辑装置基于所述连接件的引脚上的信号而根据第一协议进行配置，且所述至少一个数据存储装置可使用所述逻辑装置基于所述连接件的所述引脚上的所述信号的变化而根据第二协议进行重新配置。
所述逻辑装置可为现场可编程门阵列(FPGA)或应用专用集成电路(ASIC)。
所述连接件可为U.2连接件。
所述连接件可为M.2连接件。
所述一个或多个数据存储装置可包括与新形状因数1(NF1)标准兼容的至少一个新形状因数1(NF1)固态驱动器(SSD)。
所述一个或多个数据存储装置可包括至少一个NVMe SSD及NVMe-oF SSD。
所述引脚可为所述连接件的由供货商定义的预留引脚。
所述机箱可为2U机箱，且所述可安装在机架上的数据存储系统可包括在所述2U机箱中上下叠置地放置的第一交换台与第二交换台。
所述中间板可具有用于插入24个SSD的驱动器槽。
所述可安装在机架上的数据存储系统可包括位于1U机箱中的单个交换台。
所述可安装在机架上的数据存储系统可包括在2U机箱中并排放置的第一交换台与第二交换台。
所述中间板可包括可编程逻辑装置，所述可编程逻辑装置探测所述一个或多个数据存储装置的存在并提供与所述一个或多个交换台的基板管理板(BMC)的接口以管理所述一个或多个数据存储装置的操作。
所述中间板可具有用于插入48个SSD的驱动器槽。
所述中间板可将所述一个或多个数据存储装置配置成以高可用性(HA)模式或非高可用性模式操作。
根据另一实施例，一种可编程逻辑装置包括：寄存器；一个或多个基板管理板(BMC)多路复用器；以及槽位多路复用器。所述可编程逻辑装置集成在数据存储系统的中间板中，且所述中间板包括驱动器槽，所述驱动器槽包括用于插入一个或多个数据存储装置的多个连接件。所述可编程逻辑装置使用所述一个或多个BMC多路复用器中的相应的BMC多路复用器来提供与一个或多个交换台的一个或多个BMC的接口以管理所述一个或多个数据存储装置的操作。所述一个或多个BMC多路复用器中的每一者连接到所述槽位多路复用器以使所述一个或多个交换台的BMC能够同时与所述一个或多个数据存储装置进行通信。所述可编程逻辑装置通过允许所述一个或多个BMC中的每一者存取所述寄存器来根据第一协议提供与所述一个或多个数据存储装置的装置专用接口。所述可编程逻辑装置能够基于所述多个连接件中与所述一个或多个数据存储装置中的至少一个数据存储装置对应的连接件的引脚的变化而根据第二协议来重新配置所述至少一个数据存储装置。
所述可编程逻辑装置可与所述数据存储系统的一个或多个交换台进行接口。
所述可编程逻辑装置可为现场可编程门阵列(FPGA)。
所述寄存器可包括配置寄存器、现用BMC ID、槽位ID及存在寄存器。
所述引脚可为所述连接件的由供货商定义的预留引脚。
上文已阐述了以上示例性实施例来例示各种实施用于提供模块式系统架构来支持多个固态驱动器的系统及方法的实施例。所属领域中的一般技术人员将会联想到对所公开示例性实施例的各种修改及相对于所公开示例性实施例的不同之处。在以上权利要求中阐述了旨在落于本发明范围内的主题。

Claims (19)

1.一种可安装在机架上的数据存储系统，包括：
机箱，包括一个或多个交换台；
中间板，与所述一个或多个交换台进行接口；以及
一个或多个数据存储装置，使用连接件而可移除地耦合到所述中间板，
其中所述一个或多个数据存储装置中的至少一个数据存储装置包括与所述中间板进行接口的逻辑装置，
其中所述逻辑装置提供对应的数据存储装置与所述中间板之间的装置专用接口，
其中所述至少一个数据存储装置是使用所述逻辑装置基于所述连接件的引脚上的信号而根据第一协议进行配置，且
其中所述至少一个数据存储装置可使用所述逻辑装置基于所述连接件的所述引脚上的所述信号的变化而根据第二协议进行重新配置。
2.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述逻辑装置是现场可编程门阵列(FPGA)或应用专用集成电路(ASIC)。
3.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述连接件是U.2连接件。
4.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述连接件是M.2连接件。
5.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述一个或多个数据存储装置包括至少一个新形状因数1(NF1)固态驱动器(SSD)。
6.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述一个或多个数据存储装置中的每一者包括NVMe SSD及NVMe-oF SSD中的一个。
7.根据权利要求6所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述引脚是所述连接件的由供货商定义的预留引脚。
8.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述机箱是2U机箱，且其中所述可安装在机架上的数据存储系统包括在所述2U机箱中上下叠置地放置的第一交换台与第二交换台。
9.根据权利要求8所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述中间板具有用于插入24个SSD的驱动器槽。
10.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述可安装在机架上的数据存储系统包括位于1U机箱中的单个交换台。
11.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述可安装在机架上的数据存储系统包括在2U机箱中并排放置的第一交换台与第二交换台。
12.根据权利要求11所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述中间板包括可编程逻辑装置，用于探测所述一个或多个数据存储装置的存在并提供与所述一个或多个交换台的基板管理板(BMC)的接口以管理所述一个或多个数据存储装置的操作。
13.根据权利要求11所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述中间板具有用于插入48个SSD的驱动器槽。
14.根据权利要求1所述的可安装在机架上的数据存储系统，其中所述中间板将所述一个或多个数据存储装置配置成以高可用性(HA)模式或非HA模式操作。
15.一种可编程逻辑装置，包括：
寄存器；
一个或多个基板管理板(BMC)多路复用器；以及
槽位多路复用器，
其中所述可编程逻辑装置集成在数据存储系统的中间板中，且所述中间板包括驱动器槽，所述驱动器槽包括用于插入一个或多个数据存储装置的多个连接件，
其中所述可编程逻辑装置使用所述一个或多个BMC多路复用器中的相应的一个来提供与一个或多个交换台的一个或多个BMC的接口以管理所述一个或多个数据存储装置的操作，
其中所述一个或多个BMC多路复用器中的每一者连接到所述槽位多路复用器以使所述一个或多个交换台的BMC能够同时与所述一个或多个数据存储装置进行通信，
其中所述可编程逻辑装置通过允许所述一个或多个BMC中的每一者访问所述寄存器来根据第一协议提供与所述一个或多个数据存储装置的装置专用接口，且
其中所述可编程逻辑装置能够基于所述多个连接件中与所述一个或多个数据存储装置中的至少一个数据存储装置对应的连接件的引脚的变化而根据第二协议来重新配置所述至少一个数据存储装置。
16.根据权利要求15所述的可编程逻辑装置，其中所述可编程逻辑装置与所述数据存储系统的一个或多个交换台进行接口。
17.根据权利要求15所述的可编程逻辑装置，其中所述可编程逻辑装置是现场可编程门阵列(FPGA)。
18.根据权利要求15所述的可编程逻辑装置，其中所述寄存器包括配置寄存器、现用BMC ID、槽位ID及存在寄存器。
19.根据权利要求15所述的可编程逻辑装置，其中所述引脚是所述连接件的由供货商定义的预留引脚。
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