TWI759564B - 可安裝在機架上的資料儲存系統和可程式化邏輯裝置 - Google Patents

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佛瑞德 沃里
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Abstract

一種可安裝在機架上的資料儲存系統包括：主機殼，包 括一個或多個交換臺；中間板，與所述一個或多個交換臺進行介接；以及一個或多個資料儲存裝置，使用連接件而可移除地耦合到所述中間板。所述一個或多個資料儲存裝置中的至少一個資料儲存裝置包括與所述中間板進行介接的邏輯裝置。所述邏輯裝置提供對應的資料儲存裝置與所述中間板之間的裝置專用介面。所述至少一個資料儲存裝置是使用所述邏輯裝置基於所述連接件的引腳上的訊號而根據第一協定進行配置，且所述至少一個資料儲存裝置可使用所述邏輯裝置基於所述連接件的引腳上的訊號的變化而根據第二協定進行重新配置。也提供一種可程式化邏輯裝置。

Description

可安裝在機架上的資料儲存系統和可程式化邏 輯裝置 [相關申請的交叉參考]
本申請主張在2018年3月5日提出申請的序號為第62/638,722號的美國臨時專利申請的權利及優先權，所述美國臨時專利申請的揭露內容全文併入本申請供參考。
本揭露大體來說涉及資料儲存裝置，更具體來說涉及提供用於支援多個固態驅動器(SSD)的模組式系統架構的系統及方法。
邊緣裝置(edge device)向企業或服務提供者核心網路中提供由各種移動裝置產生的網路流量的入口點(entry point)。邊緣裝置的實例包括路由器、路由交換機、交換機、集成存取裝置、多工器以及各種都會區網路(metropolitan area network，MAN)存取點及廣域網路(wide area network，WAN)存取點。
邊緣裝置可在一種類型的網路通訊協定與另一種協議 之間進行轉換。一般來說，邊緣裝置提供對更快、更高效的骨幹網路(backbone network)及核心網路的存取。邊緣裝置還可提供增強服務，例如虛擬私人網路絡(Virtual Private Network，VPN)支援、基於IP的語音(Voice over IP，VoIP)及服務品質(Quality of Service，QoS)。邊緣裝置可修改或可不修改邊緣裝置接收到的流量，此取決於邊緣裝置的功能以及傳入流量及傳出流量的通訊協議。舉例來說，簡單的交換機對傳入流量進行路由而不對傳入包(incoming packet)進行任何修改，而會話邊界控制器(session border controller，SBC)可在發送經修改包之前對傳入包進行一些資料轉換。
隨著移動裝置產生越來越多的資料，從這些移動裝置到資料中心的資料傳輸量逐年顯著增加。邊緣裝置可具有對由移動裝置產生的本地資料進行預處理或者將工作負載從遠端雲(remote cloud)卸載到基站(base station)的能力(即，具有邊緣計算的能力)。邊緣裝置的邊緣計算能力可使移動裝置與服務網路企業之間的資料傳輸更高效且更具有成本效益。
單個主機殼中的資料儲存裝置可由不同的供應商來製造，且需要根據資料儲存裝置的預期功能以及要運行的目標應用來不同地配置。非常期望具有可支援來自不同供應商的不同類型資料儲存裝置的通用系統平臺。另外，還期望具有可支援新興資料儲存裝置(例如，基於新形狀因數1(New Form Factor 1，NF1)的固態驅動器(solid state drive，SSD))的通用系統平臺。
根據一個實施例，一種可安裝在機架上的資料儲存系統包括：主機殼，包括一個或多個交換臺；中間板，與所述一個或多個交換臺進行介接；以及一個或多個資料儲存裝置，使用連接件而可移除地耦合到所述中間板。所述一個或多個資料儲存裝置中的至少一個資料儲存裝置包括與所述中間板進行介接的邏輯裝置。所述邏輯裝置提供對應的資料儲存裝置與所述中間板之間的裝置專用介面。所述至少一個資料儲存裝置是使用所述邏輯裝置基於所述連接件的引腳上的訊號而根據第一協定進行配置，且所述至少一個資料儲存裝置可使用所述邏輯裝置基於所述連接件的所述引腳上的所述訊號的變化而根據第二協定進行重新配置。
根據另一個實施例，一種可程式化邏輯裝置包括：暫存器；一個或多個基板管理板(baseboard management board，BMC)多工器；以及槽位多工器。所述可程式化邏輯裝置集成在資料儲存系統的中間板中，且所述中間板包括驅動器槽，所述驅動器槽包括用於插入一個或多個資料儲存裝置的多個連接件。所述可程式化邏輯裝置使用所述一個或多個BMC多工器中的相應的BMC多工器來提供與一個或多個交換臺的一個或多個BMC的介面以管理所述一個或多個資料儲存裝置的操作。所述一個或多個BMC多工器中的每一者連接到所述槽位多工器以使所述一個或多個交換臺的BMC能夠同時與所述一個或多個資料儲存裝置進行通訊。所述可程式化邏輯裝置通過允許所述一個或多個BMC中的每一者存取所述暫存器來根據第一協定向所述一個或多個資料儲存裝置提供裝置專用介面。所述可程式化邏輯裝置能夠基於所述多個連接件中與至少一個資料儲存裝置對應的連接件的引腳的變化 而根據第二協定來重新配置所述至少一個資料儲存裝置。
現將參照附圖更具體地闡述包括實施方式的各種新穎細節及事件組合在內的以上及其他優選特徵，且以上及其他優選特徵在權利要求書中指出。應理解，本文所述具體系統及方法僅作為例示示出且不作為限制。如所屬領域中的技術人員應理解，本文所述原理及特徵可用於各種各樣的實施例中，而此並不背離本揭露的範圍。
100A、100B、200、400:資料儲存系統
101a、111a、201a:交換臺/第一交換臺
101b、111b、201b:交換臺/第二交換臺
102、402:中央處理器
103、203a、203b、403:基板管理控制器(BMC)
105、107、407:乙太網路交換機控制器
106、406:PCIe交換機
114、414:上行鏈路埠
115、415:高速連接件
116、416:管理區域網路(LAN)埠
117:非透明橋接器
150a~150n:資料儲存裝置
151:通用中間板/中間板
152、252:複雜可程式化邏輯裝置(CPLD)
153、267:配電板(PDB)
161、251、451:中間板
250a~250n:資料儲存裝置/eSSD/目標eSSD
262:BMC多工器
263:槽位多工器
265:重要產品資料(VPD)
266:電源管理匯流排
271:配置暫存器
272:現用BMC ID
273:槽位ID
274:存在(PRSNT)暫存器
281a~281n:連接件
350:資料儲存裝置
351、551:控制邏輯裝置
352a、352b:記憶體
353a、353b、553:頂側元件區域
401:交換臺
450:eSSD/資料儲存裝置
452:I2C交換機
455a~455f:邊緣SSD控制器
Eth0:乙太網路埠/第一乙太網路埠
Eth1:乙太網路埠/第二乙太網路埠
作為本說明書的一部分而包括在內的各個附圖示出當前優選的實施例，且與以上所給出的大體說明及以下所給出的對優選實施例的詳細說明一起用於解釋及教示本文所述原理。
圖1A示出根據一個實施例的在2U主機殼中構建的示例性資料儲存系統的方塊圖。
圖1B示出根據另一個實施例的在2U主機殼中構建的示例性資料儲存系統的方塊圖。
圖2示出根據一個實施例的資料儲存系統的中間板中所包括的示例性複雜可程式化邏輯裝置(complex programmable logic device，CPLD)的方塊圖。
圖3示出根據一個實施例的包括兩個小形狀因數SSD的示例性資料儲存裝置。
圖4示出根據一個實施例的在1U主機殼中構建的示例性資料儲存系統的方塊圖。
圖5示出根據一個實施例的在圖4所示資料儲存系統中使用 的示例性資料儲存裝置。
各個圖未必是按比例繪製，且出於例示目的，在所有圖中具有相似結構或功能的元件一般是由相同的參考編號表示。各個圖僅旨在方便說明本文所述各種實施例。各個圖並不闡述本文所揭露教示內容的每一方面且並不限制權利要求書的範圍。
本文所揭露的特徵及教示內容中的每一者可單獨使用或結合其他特徵及教示內容來使用以提供一種系統及方法來提供用於支援多個固態驅動器的模組式系統架構。參照附圖更詳細地闡述代表性實例，這些代表性實例單獨地使用及組合地使用這些附加特徵及教示內容中的許多特徵及教示內容。此詳細說明僅旨在向所屬領域中的技術人員教示用於實踐本教示內容的各個方面的進一步細節，而並非旨在限制權利要求書的範圍。因此，在本詳細說明中以上所揭露特徵的組合可能未必是在最廣泛意義上實踐本教示內容所必需的，而是相反，僅是為了具體闡述本教示內容的代表性的實例而教示。
在以下說明中，僅出於解釋目的來闡述特定術語以提供對本揭露的透徹理解。然而，對於所屬領域中的技術人員而言將顯而易見，這些特定細節並非是實踐本揭露的教示內容所必需的。
本文的詳細說明的一些部分是以演算法及對電腦記憶體內的資料位元進行的操作的符號標記法來呈現。這些演算法描述及標記法被資料處理領域中的技術人員用於向所屬領域中的其 他技術人員有效地傳達其工作的實質。演算法在此處且一般而言均被視為能得到所期望結果的步驟的自洽序列(self-consistent sequence)。所述步驟需要對物理量進行實體操縱。通常(儘管未必一定如此)，這些量會呈能夠被儲存、傳輸、組合、比較及以其他方式被操縱的電訊號或磁訊號的形式。已證明，主要出於通用的原因，將這些訊號稱為位元、值、元件、符號、字元、項、數位等有時是便利的。
然而，應記住，這些用語中的所有用語及所有相似用語均與適宜的物理量相關聯且僅作為應用於這些量的便利標記。除非通過閱讀以下論述顯而易見地另有具體說明，否則應理解，在本說明通篇中，使用例如“處理(processing)”、“計算(computing)”、“運算(calculating)”、“判斷(determining)”、“顯示(displaying)”等用語進行的論述是指電腦系統或相似電子計算裝置的動作及進程，所述電腦系統或相似電子計算裝置操縱在電腦系統的暫存器及記憶體內被表示為物理(電子)量的資料並將所述資料轉換成在電腦系統記憶體或暫存器或者其他這種資訊儲存裝置、資訊傳輸裝置或資訊顯示裝置內被相似地表示為物理量的其他資料。
另外，代表性實例及附屬權利要求的各個特徵可並未具體地及明確地枚舉的方式加以組合以提供本教示內容的附加的有用實施例。還應明確注意，出於原始揭露內容的目的以及出於限制所主張主題的目的，所有值範圍或對實體的群組的指示均用於揭露每個可能的中間值或中間實體。還應明確注意，圖中所示各組件的尺寸及形狀被設計成有助於理解如何實踐本教示內容，而 並非旨在限制實例中所示尺寸及形狀。
本揭露闡述一種通用系統平臺以及一種多模式儲存裝置(multi-mode storage device)，所述通用系統平臺可支援由不同供應商製造的不相同的跨結構的非揮發性記憶體快速(non-volatile memory express，NVMe)(NVMe over fabrics，NVMe-oF)裝置，所述多模式儲存裝置可被配置成NVMe裝置或NVMe-oF裝置。根據一個實施例，本通用系統平臺可指可安裝在機架上的主機殼(或殼體)，所述可安裝在機架上的主機殼(或殼體)包括中間板以及可分別接納多個NVMe裝置或NVMe-oF裝置的一個或多個主機板(在NVMe裝置的情形中)或一個或多個交換臺(在NVMe-oF裝置的情形中)。本通用系統平臺可支援具有標準U.2連接件的NVMe-oF裝置(例如，PM1725a/1735 SSD)以及使用M.2連接件的新興裝置(例如，基於新形狀因數1(NF1)的SSD)。
多模式跨結構的非揮發性記憶體快速(NVMe)(NVMe-oF)裝置可通過探測來自已知位置或主機殼類型引腳(例如，根據多模式NVMe-oF裝置所插入到的主機殼類型而定，為引腳E6或U.2連接件的由供應商定義的預留引腳)的資訊來支援NVMe協定或NVMe-oF協定。如果將多模式NVMe-oF裝置插入到NVMe主機殼的驅動器槽，則嵌入式周邊元件連接快速(peripheral component interconnect express，PCIe)引擎驅動U.2連接件的所有四個PCIe通道。在這種情形中，NVMe-oF裝置禁用嵌入式乙太網路引擎，並支援或啟用所有的NVMe命令及功能。另一方面，如果將多模式NVMe-oF裝置插入到NVMe-oF主機殼 的驅動器槽中，則NVMe-oF裝置的乙太網路埠將被啟用並用作資料平面。在這種模式中，乘4(X4)PCIe通道作為呈兩個乘2(X2)PCIe通道形式的兩個控制平面來進行操作。
根據一個實施例，本通用系統平臺的中間板可支援NVMe裝置及NVMe-oF裝置二者以及可被配置成NVMe裝置或NVMe-oF裝置的本多模式儲存裝置。當被配置成NVMe模式時，本多模式儲存裝置相當於NVMe裝置；且當被配置成NVMe-oF模式時，本多模式儲存裝置用作NVMe-oF裝置，所述NVMe-oF裝置將U.2連接件上的串列附接小型電腦系統介面(small computer system interface，SCSI)(Serial attached SCSI，SAS)引腳用於一個或多個乙太網路埠。
根據一個實施例，本通用系統平臺的中間板可支援高可用性(high availability，HA)(雙埠)模式或非HA(單埠)模式二者。可向所述中間板預先路由高速訊號、時脈訊號及控制訊號以支援HA模式，在所述HA模式中，兩個交換臺可經由兩個PCIe交換機的非透明橋接器(Non-Transparent Bridge，NTB)117來與彼此進行通訊。一般來說，可支援HA模式的NVMe-oF裝置可更昂貴。本通用系統平臺可通過基於系統組態以及基於使用可支援HA模式及非HA模式二者的中間板的應用來支援HA模式及非HA模式二者，從而提供規模經濟。當被配置成非HA模式時，本通用系統平臺將單個乘2(X2)PCIe通道作為控制平面用於所有的標準特徵。當被配置成HA模式時，本通用系統平臺將所述四個PCIe通道分成分別用於埠A及埠B的兩個乘2(X2)PCI通道。乙太網路訊號將一些SAS引腳(例如，S2、S3、S5及S6)用於 主要乙太網路埠(例如，Eth0)且將其他SAS引腳(例如，S9、S10、S12及S13)用於輔助乙太網路埠(例如，Eth1)。引腳E25(DualPort_EN #)用於啟用雙埠配置。舉例來說，當對引腳E25施加低準位時，NVMe-oF裝置以雙埠模式操作，否則，NVMe-oF裝置以單埠模式操作。所述兩個PCIe交換機106經由相應的NTB埠連接到彼此。
在NVMe-oF的情形中，本通用系統平臺的交換臺使用所述兩個乘2(X2)PCIe通道作為控制平面來無任何附加成本地與附接到主機殼的NVMe-oF裝置中的每一者進行通訊。可對基於NVMe的主機殼或基於NVMe-oF的主機殼二者使用同一中間板。因此，本通用系統平臺可提供較快的上市時間及較低的開發風險。本通用系統平臺可線性地縮放資料儲存系統的性能，並且每個槽位每一種小形狀因數提供更多SSD。
根據一個實施例，可不加修改地使用現有的PCIe驅動器來支援本通用系統平臺及本多模式儲存裝置。另外，本通用系統平臺可重複使用各種形狀因數(例如，1U主機殼及2U主機殼)的主機板或交換臺。
本通用系統平臺可降低每單位資料儲存裝置的邊緣裝置或資料儲存伺服器成本，這是因為同一資料儲存裝置可用作NVMe裝置或NVMe-oF裝置。另外，本多模式資料儲存裝置可用于各種產品中和/或附接到資料中心中的可安裝在機架上的主機殼。
根據一個實施例，本通用系統平臺的中間板包括用於管理中間板操作的複雜可程式化邏輯裝置(CPLD)。CPLD經由積體 電路匯流排(Inter-Integrated Circuit，I2C)和/或系統管理匯流排(System Management Bus，SMBus)與所附接的主機板或交換臺的BMC進行通訊。每一個主機板或交換臺的BMC可幫助探測及協調與其附接的不同類型的資料儲存裝置的行為。
根據一個實施例，中間板可不提供計算支援。而是，放置在中間板與SSD之間的SSD中插轉卡(interposer card)(未示出)可包含現場可程式化閘陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或應用專用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)以與中間板進行介接，從而對其自身介面的優化進行管理。舉例來說，SSD插轉卡可與BMC協同地利用中間板來管理所附接的SSD。
本通用系統平臺的中間板可包括一個或多個邊緣SSD控制器，多個SSD可插接到所述一個或多個邊緣SSD控制器。中間板可被配置成根據系統的配置(例如1U主機殼及2U主機殼)而定將所述一個或多個邊緣SSD控制器連接到主機板或交換臺。所述多個邊緣SSD控制器中的每一者可與多個SSD(例如，4個乙太網路SSD(Ethernet SSD，eSSD))直接進行介接。eSSD中的每一者可具有其自身的輕量級ASIC(lighter-weight ASIC)且可具有小形狀因數，舉例來說，與下一代小形狀因數(Next Generation Small Form Factor，NGSFF)或新形狀因數1(NF1)標準相容。
圖1A示出根據一個實施例的在2U主機殼中構建的示例性資料儲存系統的方塊圖。資料儲存系統100A包括可並排放置在可安裝在2U機架上的主機殼中的兩個交換臺101a與交換臺101b。除所述兩個交換臺101a及101b在主機殼內的佈置外，所 述兩個交換臺101a及101b可為相同的。根據系統組態而定，資料儲存系統100A可僅包括一個交換臺。在下文中，所述兩個交換臺101a及101b可共同地或單獨地稱為交換臺101。
交換臺101a或101b中的每一者包括中央處理器(central processing unit，CPU)102、基板管理控制器(BMC)103、乙太網路交換機控制器105、PCIe交換機106、包括乙太網路埠及PCIe埠在內的多個上行鏈路埠114、用於經由通用中間板151來與多個資料儲存裝置150a~150n(例如，NVMe SSD或乙太網路SSD(eSSD))進行介接的高速連接件115以及管理區域網路(local area network，LAN)埠116。資料儲存裝置150a~150n的實例是由三星電子有限公司(Samsung Electronics，Co.Ltd.)設計及製造的PM1725a NVMe SSD。在下文中，用語“資料儲存裝置”與“eSSD”可互換使用以便於在一些實施例中進行解釋；然而應理解，資料儲存裝置150a~150n可為任何類型的資料儲存裝置，例如NVMe SSD、乙太網路SSD及可被配置成NVMe SSD或NVMe-oF SSD的多模式SSD。
BMC 103是本機服務處理器，其可使用各種感測器(例如，電源狀態感測器(未示出)及溫度感測器)來監視對應的交換臺101的物理狀態。BMC 103可使用具有顯示器的可攜式裝置通過獨立的通訊路徑(例如，管理LAN埠116或系統管理匯流排(SMBus)(未示出))來與服務管理員進行通訊。
上行鏈路埠114可連接到運行應用的主機電腦，且在主機電腦上運行的應用可對資料儲存裝置150a~150n進行存取以經由上行鏈路埠114儲存資料並對所儲存的資料進行存取。當資料 儲存系統100A是NVMe-oF系統時，主機電腦可經由結構網路(例如，乙太網路、光纖通道及InfiniBand)對資料儲存裝置150a~150n進行存取。
舉例來說，上行鏈路埠中的每一者是100十億位元乙太網路(Gbe)埠。在NVMe-oF的情形中，主機電腦可向交換臺101發送乙太網路包，乙太網路包包括要對資料儲存裝置150a~150n上的資料進行讀取、修改及寫入的命令。在NVMe的情形中，資料儲存裝置150a~150n附接到傳統的基於X86的主機板(未示出)。
管理LAN埠116可連接到外部管理交換機(未示出)。系統管理員可經由智慧平臺管理介面(intelligent platform management interface，IPMI)協議直接通過管理LAN埠116來監視多個交換臺的狀態。IPMI協定允許使用IPMI消息通過管理LAN埠116在系統管理員與BMC 103之間進行通訊。交換臺101可包括其他元件、電路和/或子系統(例如，一個或多個雙倍資料速率4(dual data rate 4，DDR4)雙列直插式記憶體模組(dual in-line memory module，DIMM)以便於向資料儲存裝置150a~150n傳輸資料以及從資料儲存裝置150a~150n傳輸資料並對資料儲存裝置150a~150n進行控制及有效地管理。
根據一個實施例，多達24個資料儲存裝置150a~150n可耦合到資料儲存系統100A的交換臺101a及101b中的每一者。因此，總共24個資料儲存裝置150a~150n可附接到資料儲存系統100A。舉例來說，交換臺101a經由乙太網路埠0耦合到eSSD1到eSSD24，且交換臺101b經由乙太網路埠1耦合到eSSD1到eSSD24。每一個eSSD可支援高達每秒700k的輸入/輸出操作 (input/output operation，IOP)。對於隨機讀取輸入/輸出(input/output，I/O)而言，資料儲存系統100A的估計性能為約1680萬IOP(每一個eSSD進行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。舉例來說，資料儲存裝置150a~150n是被配置成以NVMe-oF模式操作的NVMe-oF裝置(或eSSD)。在這種情形中，所述四個PCIe通道(2X PCIe)中的兩個PCIe通道被配置成連接到第一交換臺101a的高速連接件115，且其餘兩個PCIe通道被配置成連接到第二交換臺101b的高速連接件115。相似地，第一乙太網路埠(Eth0)被配置成連接到第一交換臺101a的高速連接件115，且第二乙太網路埠(Eth1)被配置成連接到第二交換臺101b的高速連接件115。發送到資料儲存裝置150a~150n中的每一者以及從資料儲存裝置150a~150n中的每一者接收的乙太網路流量及PCIe流量分別通過乙太網路交換機控制器105及PCIe交換機106進行路由。
根據一個實施例，中間板151包括用於管理中間板操作的複雜可程式化邏輯裝置(CPLD)152。CPLD 152與所附接的交換臺101的BMC 103進行通訊。CPLD 152及每一個交換臺101的BMC 103可幫助探測及協調附接到主機殼的不同類型的資料儲存裝置150a~150n的行為。舉例來說，CPLD 152通過測量高速連接件115上與資料儲存裝置150a~150n對應的專用引腳上的電壓來探測在每一個槽位中是否存在資料儲存裝置150a~150n。
CPLD 152可為BMC 103提供各種支援來管理資料儲存裝置150a~150n。舉例來說，CPLD 152經由專用SMBus和/或I2C 埠將BMC 103連接到所附接的資料儲存裝置150a~150n(在資料儲存系統100A中多達24個)。由於每一個資料儲存裝置150a~150n具有相同的感測器位址這一限制，因此CPLD 152可允許BMC 103每次一個地與每一個資料儲存裝置150a~150n進行通訊。資料儲存裝置150a~150n可附接到主機殼的支援具有2.5英寸小形狀因數的驅動器的相應驅動器槽位。CPLD 152還可提供連接到BMC 103的I2C埠以提供帶有保護機制的可靠的I2C通訊，從而使每一組資料儲存裝置150a~150n(例如，四個資料儲存裝置150a~150n)能夠接通電源/斷開電源。CPLD 152可通過經由PM匯流排(如果具有)對關於電源供應單元(power supply unit，PSU)的資訊進行存取來進一步點亮多達24個資料儲存裝置150a~150n在中間板151上的指示燈(例如，驅動器故障發光二極體(Light Emitting Diode，LED))並將邏輯控制及通電/斷電時序控制重置。
根據一個實施例，資料儲存系統100A包括配電板(power distribution board，PDB)153。配電板153可包括冗餘電源供應單元(PSU)，冗餘電源供應單元向交換臺101a及101b中的每一者的熱插拔控制器(未示出)供應電力(例如，12V)。熱插拔控制器使資料儲存裝置150a~150n能夠在不將交換臺101斷開電源的條件下附接到主機殼或從主機殼分離。
圖1B示出根據另一個實施例的在2U主機殼中構建的示例性資料儲存系統的方塊圖。資料儲存系統100B包括一個或兩個交換臺111a及111b、配電板153及中間板161。當資料儲存系統100B包括兩個交換臺111a及111b時，除所述兩個交換臺111a及111b在主機殼內的佈置外，所述兩個交換臺111a與交換臺111b 可為相同的。根據系統組態而定，資料儲存系統100B可僅包括一個交換臺。在下文中，所述兩個交換臺111a及111b可共同地或單獨地稱為交換臺111。
類似於圖1A所示資料儲存系統100A，資料儲存系統100B被包封在2U主機殼中且包括兩個交換臺111a及111b。資料儲存系統100B可包括不同類型的乙太網路交換機控制器107以及中間板161的驅動器槽，驅動器槽用於接納與資料儲存系統100A的資料儲存裝置150a~150n具有不同的形狀因數的資料儲存裝置250a~250n。資料儲存裝置150a~150n與資料儲存裝置250a~250n可使用相同的M.2連接件。
由於架構差異，與包括在資料儲存系統100A的中間板151中的SSD控制器相比，包括在用於與資料儲存裝置250a~250n進行介接的中間板161中的SSD控制器可具有不同的配置及設計。舉例來說，包括在資料儲存系統100B的交換臺111中的乙太網路交換機控制器107是由博通公司(Broadcom)設計及製造的三戟叉(Trident)系列交換臺，而包括在圖1A所示資料儲存系統100A的交換臺101中的乙太網路交換機控制器105是由博通公司設計及製造的戰斧(Tomahawk)系列交換臺。資料儲存系統100B的成本可與資料儲存系統100A的成本相當或更低，這是因為包括在資料儲存系統100B的交換臺111中的乙太網路交換機控制器107比包括在資料儲存系統100A的交換臺101中的乙太網路交換機控制器105廉價；然而，乙太網路交換機控制器107可具有較大大小的緩衝器，這些緩衝器相比于聯網路應用而言更適合於儲存應用。另外，即使資料儲存系統100B中的資料儲存裝置 250a~250n的單獨的IOPS性能(例如，550k IOPS)可能低於資料儲存系統100A中的資料儲存裝置150a~150n的IOPS性能(例如，700k IOPS)，然而由於可同時及獨立存取的資料儲存裝置150a~150n的數目增大(例如，資料儲存系統100B中的48個資料儲存裝置250a~250n相對於資料儲存系統100A中的24個資料儲存裝置150a~150n)，因此資料儲存系統100B的IOPS性能可與資料儲存系統100A的IOPS性能相同或好於資料儲存系統100A的IOPS性能。
根據一個實施例，包括在資料儲存系統100B中的資料儲存裝置250a~250n可具有一個或多個NGSFF形狀因數SSD(在本文中也被稱為NF1 SSD)。在一些實施例中，NGSFF形狀因數或NF1形狀因數也可被稱為M.3形狀因數。NF1 SSD使用M.2連接件但具有用於容納更寬的印刷電路板(PCB)的形狀因數以為附加電路(例如，FPGA或ASIC)和/或與非封裝(NAND package)提供更多空間。舉例來說，NF1 SSD的寬度為30.5mm且長度為110mm。相比之下，標準M.2模組可具有各種寬度(例如，12mm、16mm、22mm及30mm)及長度(例如，16mm、26mm、30mm、38mm、42mm、60mm、80mm及110mm)。在一個實施例中，每一個資料儲存裝置250a~250n可容納兩個SSD以使得可附接到資料儲存系統100B且可同時及獨立存取的SSD的最大數目是48。相比之下，圖1A所示資料儲存系統100A的資料儲存裝置150a~150n可僅具有一個SSD，且可附接到資料儲存系統100A的SSD的最大數目是24。
根據一個實施例，交換臺111a或111b的乙太網路交換 機控制器107可由乙太網路轉發器(Ethernet repeater)或重新計時器(re-timer)取代。包括在乙太網路交換機控制器107中的轉發器可經由高速連接件115向資料儲存裝置250a~250n提供上行鏈路埠114與下行鏈路埠之間的乙太網路訊號的有效傳遞。舉例來說，第一交換臺111a的轉發器可經由中間板161來不僅有效地傳遞(pass through)(即，將訊號放大以進行遠端訊號傳輸)eSSD1到eSSD24的被附接到第一交換臺111a的埠0的乙太網路訊號而且還有效地傳遞eSSD1到eSSD24的被附接到第二交換臺111b的乙太網路埠1的乙太網路訊號。相似地，第二交換臺111b的轉發器可經由中間板161來不僅有效地傳遞eSSD1到eSSD24的被附接到第二交換臺111b的埠1的乙太網路訊號而且還有效地傳遞eSSD1到eSSD24的被附接到第一交換臺111a的乙太網路埠0的乙太網路訊號。
在HA模式中，交換臺111a的PCIe交換機106可使用所附接的eSSD的U.2連接件的所述兩個PCIe通道0及PCIe通道1作為第一乙太網路埠(乙太網路埠0)的控制平面。所述第一對SAS埠0可用於第一乙太網路。交換臺111a或111b的PCIe交換機106可與所有的eSSD1到eSSD24的PCIe埠A進行通訊。相似地，交換臺111b的PCIe交換機106可使用所附接的eSSD的U.2連接件的所述兩個PCIe通道2及3作為第二乙太網路埠的控制平面。所述第二對SAS埠1用於第二乙太網路埠(例如，乙太網路埠1)。交換臺111b的PCIe交換機106可與所有的eSSD1到eSSD24的PCIe埠1進行通訊。
所附接的eSSD中的每一者可通過在PCIe交換機106 與eSSD之間建立的控制平面經由PCIe交換機106將一些裝置專用資訊提供到BMC 103。可通過控制平面載送的這種裝置專用資訊的實例包括但不限於eSSD的發現資訊(discovery information)及預留供未來使用(Reserved For Future Use，FRU)資訊。
中間板161可為在圖1A所示資料儲存系統100A中使用的相同的中間板。然而，與僅包括一個SSD的資料儲存系統100A(例如，包括一個PM1725a SSD的資料儲存裝置150a~150n)相比，資料儲存系統100B可容納可同時及獨立存取的一個或多個NF1 SSD(例如，包括兩個SSD的資料儲存裝置250a~250n)。包括在資料儲存裝置250a~250n中的SSD中的每一者的最大I/O性能是550k IOP。在這種情形中，資料儲存系統100B的預期最大I/O性能是2450萬IOP(每一個SSD進行48次550k IOP)。根據一個實施例，資料儲存系統100B還可容納具有一個SSD的一個或多個資料儲存裝置150a~150n。換句話說，圖1A所示資料儲存裝置150a~150n向後相容資料儲存系統100B(具有M.2連接件)，但是可能需要新的控制邏輯設計來使圖1B所示資料儲存裝置250a~250n在圖1A所示資料儲存系統100A中正常工作。新的控制邏輯可構建在SSD插轉卡中或者構建在資料儲存裝置250a~250n內部(例如，在圖3所示控制邏輯裝置351中)。單個SSD需要單個PCIe根埠(root port，RP)。資料儲存裝置250中的所述兩個SSD將需要兩個PCIe根埠，且所述兩個PCIe根埠需要由新的控制邏輯構建。在這種情形中，資料儲存系統100B的最大性能可從2640萬最大IOP(即，具有24個eSSD 250a~250n，且eSSD 250a~250n中的所述兩個SSD中的每一者進行550k IOP)增 大到3360萬最大IOPS(即，具有48個eSSD 250a~250n，且eSSD 250a~250n中的所述兩個SSD中的每一者進行700k IOP)。根據系統組態及目標成本，可通過選擇不同的資料儲存系統及不同的資料儲存裝置來實現不同的輸入/輸出性能。
圖2示出根據一個實施例的資料儲存系統的中間板中所包括的示例性CPLD的方塊圖。資料儲存系統200包括兩個交換臺201a及201b、中間板251及經由相應的連接件281a~281n(例如，U.2連接件、M.2連接件)附接到中間板251的多個資料儲存裝置250a~250n。配電板(PDB)267可經由電源管理匯流排(PMBus)266對CPLD 252的暫存器進行存取。I2C或槽位多工器263用於使BMC 203a或203b能夠每次一個地與每一個eSSD 250a~250n進行通訊。當在系統中存在多於一個BMC 203a及203b時使用BMC多工器262。交換臺201a及201b中的每一者具有BMC 203a或203b以及如參照圖1A及圖1B所示資料儲存系統100A及100B闡述的其他元件(未示出)。為便於例示，圖2在交換臺201a或201b中僅示出BMC 203a或203b。中間板251包括CPLD 252以及可儲存在電可擦可程式化唯讀記憶體(electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM)晶片中的重要產品資料(vital product data，VPD)265。VPD 265可包含由交換臺201a或201b的製造商設定的產品專用資料。
當所述兩個交換臺201a與交換臺201b並排放置(例如，圖1A)而不是上下疊置地放置(例如，圖1B)時，可能沒有足夠的物理空間來放置數目為交換臺201a及201b中的每一者與中間板251之間的介面引腳的數目的連接件，這是因為交換臺201a 及201b中的每一者與中間板251之間的介面區域減少了一半。
BMC 203a或203b可對CPLD 252的暫存器空間進行存取以對所附接的eSSD 250a~250n中的每一者的配置進行設定、讀取所連接的eSSD 250a~250n中的每一者的狀態或者對所連接的eSSD 250a~250n中的每一者執行動作。CPLD 252的暫存器包括但不限於配置暫存器271、現用BMC ID 272、槽位ID 273及存在(PRSNT)暫存器274。現用BMC ID 272是指所述兩個交換臺201a及201b的BMC 203a及203b中的現用BMC的識別字。槽位ID 273是指資料儲存系統的驅動器槽位中的每一者的識別字，例如1-24。存在暫存器274是指由槽位ID 273標識的對應槽位中的每一個eSSD 250a~250n的存在/不存在的狀態。
在系統啟動或重置之後，CPLD 252將第一交換臺201a上的BMC 203a指定為CPLD 252默認的現用BMC，而無論主機殼中是否存在第二交換臺201b。如果現用BMC 203a斷電或出現故障，則另一個BMC 203b便可扮演現用BMC的角色。當預設BMC 203a從故障中恢復時，BMC 203a可從BMC 203b接管現用角色。
現用BMC可通過對規定的恰當槽位ID 273讀取或寫入暫存器狀態來對相應的eSSD 250a~250n進行配置，從而在現用BMC與目標eSSD 250a~250n之間進行SMBus/I2C連接。在建立連接之後，BMC 203a或203b可將命令發送到目標eSSD 250a~250n的感測器位址。BMC 203a或203b還可對驅動器及槽位狀態暫存器進行讀取並對目標eSSD 250a~250n執行預期動作。
圖3示出根據一個實施例的包括兩個小形狀因數SSD的 示例性資料儲存裝置。資料儲存裝置350包括控制邏輯裝置351(例如，FPGA或ASIC)、用於提供相應的SSD(例如，NF1 SSD)的表面區域的兩個頂側元件區域353a及353b、以及分別耦合到控制邏輯裝置351的處理器子系統(processor subsystem，PS)及可程式化邏輯(programmable logic，PL)中的每一者的記憶體352a及352b。控制邏輯裝置351可與其他元件(例如，電壓調節器及I2C交換機)一起放置在資料儲存裝置350的PCB的一側上。控制邏輯裝置351可經由連接件(例如，U.2連接件、M.2連接件)來與圖1B所示交換臺101上的PCIe交換機(例如，PCIe交換機106)進行通訊，並對資料儲存裝置350中所包括的所述兩個小形狀因數SSD相應地進行配置及操作。根據一個實施例，資料儲存裝置350可被配置成以HA模式或非HA模式操作。如果PCIe RP探測到兩個X4裝置或DualPort_En #引腳被施加準位，則啟用PCIe EP # 2及乙太網路埠。另外，資料儲存裝置350如圖1A所示資料儲存裝置150a~150n一樣是可熱插拔的。在圖3中，所示出的資料儲存裝置350的方塊佈局示出相應的SSD的頂側元件區域353a及353b被與控制邏輯裝置351及記憶體352a及352b(以及其他組件)分開放置。然而，在物理佈局中，包括在資料儲存裝置350中的所述兩個SSD的頂側元件區域353a及353b可部分地或完全地與控制邏輯裝置351的區域重疊，以減小資料儲存裝置350的佔用空間。
根據一個實施例，控制邏輯裝置351提供掉電保護。在正常斷開電源時間段期間，主機電腦通過向資料儲存裝置350傳送待機命令來分配時間以保持資料完整性。在意外掉電事件中， 資料儲存裝置350的內部緩衝器(例如，DRAM)中的快取記憶體資料可能會丟失。快取記憶體資料的丟失可能伴隨意外停電一起發生以及在使用者從主機殼拔出資料儲存裝置350時發生。控制邏輯裝置351可防止由意外關閉電源導致的資料丟失。在探測到故障或熱插拔時，包括在資料儲存裝置350中的SSD立即使用其中儲存的能量(例如，鉭電容器)來提供足夠的時間將緩衝器中的快取記憶體資料傳輸到快閃記憶體，從而確保沒有資料丟失。用於掉電保護的從緩衝器到快閃記憶體的資料傳輸的定時及延遲可根據資料儲存裝置350的類型而異。
圖4示出根據一個實施例的在1U主機殼中構建的示例性資料儲存系統的方塊圖。1U主機殼可包括交換臺401及中間板451。交換臺401可包括CPU 402(例如，X86處理器)、BMC 403、PCIe交換機406、乙太網路交換機控制器407、管理LAN埠416、上行鏈路埠414及高速連接件415以經由中間板451來與一個或多個eSSD 450進行介接。交換臺401可與圖1B所示交換臺111a或111b相同。圖1B所示相同的交換臺111a或111b可重複使用，但中間板451可能需要新的控制邏輯(例如，FPGA及ASIC)來用於1U主機殼中。
根據一個實施例，中間板451包括一個或多個邊緣SSD控制器455a~455f。每一個邊緣SSD控制器455a~455f可支援及控制多達四個資料儲存裝置450(例如，eSSD)。
根據一個實施例，中間板451包括I2C交換機452，I2C交換機452被配置成為BMC 403提供帶有保護機制的通訊，以對所附接的資料儲存裝置450進行接通電源/斷開電源。由於每一組 中的資料儲存裝置450具有相同的感測器位址這一限制，BMC 403可每次一個地與每一個資料儲存裝置450進行通訊。具有NF1形狀因數的資料儲存裝置450可附接到邊緣SSD控制器的相應驅動器槽位。每一個邊緣SSD控制器455a~455f可對耦合在一起的一組四個資料儲存裝置450進行接通電源/斷開電源。
圖5示出根據一個實施例的在圖4所示資料儲存系統400中使用的示例性資料儲存裝置。資料儲存裝置450可具有足以經由連接件(例如，U.2連接件、M.2連接件)附接到圖4所示邊緣SSD控制器455a~455f的NF1形狀因數(也被稱為M.3形狀因數或NGSFF)。資料儲存裝置450包括控制邏輯裝置551(例如，ASIC)，控制邏輯裝置551被配置成與安裝在頂側元件區域553上的一個或多個快閃記憶體裝置(例如，SSD)進行通訊。
根據一個實施例，一種可安裝在機架上的資料儲存系統包括：主機殼，包括一個或多個交換臺；中間板，與所述一個或多個交換臺進行介接；以及一個或多個資料儲存裝置，利用連接件而可移除地耦合到所述中間板。所述一個或多個資料儲存裝置中的至少一個資料儲存裝置包括與所述中間板進行介接的邏輯裝置。所述邏輯裝置提供對應的資料儲存裝置與所述中間板之間的裝置專用介面。所述至少一個資料儲存裝置是使用所述邏輯裝置基於所述連接件的引腳上的訊號而根據第一協定進行配置，且所述至少一個資料儲存裝置可使用所述邏輯裝置基於所述連接件的所述引腳上的所述訊號的變化而根據第二協定進行重新配置。
所述邏輯裝置可為現場可程式化閘陣列(FPGA)或應用專用積體電路(ASIC)。
所述連接件可為U.2連接件。
所述連接件可為M.2連接件。
所述一個或多個資料儲存裝置可包括與新形狀因數1(NF1)標準相容的至少一個新形狀因數1(NF1)固態驅動器(SSD)。
所述一個或多個資料儲存裝置可包括至少一個NVMe SSD及NVMe-oF SSD。
所述引腳可為所述連接件的由供應商定義的預留引腳。
所述主機殼可為2U主機殼，且所述可安裝在機架上的資料儲存系統可包括在所述2U主機殼中上下疊置地放置的第一交換臺與第二交換臺。
所述中間板可具有用於插入24個SSD的驅動器槽。
所述可安裝在機架上的資料儲存系統可包括位於1U主機殼中的單個交換臺。
所述可安裝在機架上的資料儲存系統可包括在2U主機殼中並排放置的第一交換臺與第二交換臺。
所述中間板可包括可程式化邏輯裝置，所述可程式化邏輯裝置探測所述一個或多個資料儲存裝置的存在並提供與所述一個或多個交換臺的基板管理板(BMC)的介面以管理所述一個或多個資料儲存裝置的操作。
所述中間板可具有用於插入48個SSD的驅動器槽。
所述中間板可將所述一個或多個資料儲存裝置配置成以高可用性(HA)模式或非高可用性模式操作。
根據另一實施例，一種可程式化邏輯裝置包括：暫存 器；一個或多個基板管理板(BMC)多工器；以及槽位多工器。所述可程式化邏輯裝置集成在資料儲存系統的中間板中，且所述中間板包括驅動器槽，所述驅動器槽包括用於插入一個或多個資料儲存裝置的多個連接件。所述可程式化邏輯裝置使用所述一個或多個BMC多工器中的相應的BMC多工器來提供與一個或多個交換臺的一個或多個BMC的介面以管理所述一個或多個資料儲存裝置的操作。所述一個或多個BMC多工器中的每一者連接到所述槽位多工器以使所述一個或多個交換臺的BMC能夠同時與所述一個或多個資料儲存裝置進行通訊。所述可程式化邏輯裝置通過允許所述一個或多個BMC中的每一者存取所述暫存器來根據第一協定提供與所述一個或多個資料儲存裝置的裝置專用介面。所述可程式化邏輯裝置能夠基於所述多個連接件中與所述一個或多個資料儲存裝置中的至少一個資料儲存裝置對應的連接件的引腳的變化而根據第二協定來重新配置所述至少一個資料儲存裝置。
所述可程式化邏輯裝置可與所述資料儲存系統的一個或多個交換臺進行介接。
所述可程式化邏輯裝置可為現場可程式化閘陣列(FPGA)。
所述暫存器可包括配置暫存器、現用BMC ID、槽位ID及存在暫存器。
所述引腳可為所述連接件的由供應商定義的預留引腳。
上文已闡述了以上示例性實施例來例示各種實施用於提供模組式系統架構來支援多個固態驅動器的系統及方法的實施 例。所屬領域中的一般技術人員將會聯想到對所揭露示例性實施例的各種修改及相對於所揭露示例性實施例的不同之處。在以上權利要求中闡述了旨在落于本發明範圍內的主題。
100A:資料儲存系統
101a:交換臺/第一交換臺
101b:交換臺/第二交換臺
102:中央處理器
103:基板管理控制器(BMC)
105:乙太網路交換機控制器
106:PCIe交換機
114:上行鏈路埠
115:高速連接件
116:管理區域網路(LAN)埠
117:非透明橋接器
150a~150n:資料儲存裝置
151:通用中間板/中間板
152:複雜可程式化邏輯裝置(CPLD)
153:配電板(PDB)
Eth0:乙太網路埠/第一乙太網路埠
Eth1:乙太網路埠/第二乙太網路埠

Claims (18)

  1. 一種資料儲存系統，包括：主機殼，包括一個或多個交換臺；中間板，與所述一個或多個交換臺進行介接；以及至少一個資料儲存裝置，使用連接件耦合到所述中間板，其中所述至少一個資料儲存裝置包括與所述中間板進行介接的裝置，其中所述裝置提供所述至少一個資料儲存裝置與所述中間板的介面，其中所述至少一個資料儲存裝置是基於所述連接件的第一訊號而根據第一協定進行配置，且其中所述至少一個資料儲存裝置能夠基於所述連接件的的第二訊號而根據第二協定進行重新配置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述至少一個資料儲存裝置包括處理器、現場可程式化閘陣列或應用專用積體電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述連接件能夠支援周邊元件連接快速協定。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述連接件是U.2連接件及M.2連接件中的至少一個。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述至少一個資料儲存裝置與新形狀因數1標準相容。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述至少一個資料儲存裝置包括非揮發性記憶體快速固態驅動器及跨結構的非揮發性記憶體快速固態驅動器中的至少一個。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的資料儲存系統，其中所述連接件包括引腳，所述引腳是由供應商定義的預留引腳。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述主機殼是2U主機殼，且其中所述資料儲存系統包括在所述2U主機殼中上下疊置地放置的第一交換臺與第二交換臺。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的資料儲存系統，其中所述中間板具有用於插入預定數目的固態驅動器的驅動器槽。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述資料儲存系統包括位於所述主機殼中的交換臺，所述主機殼包括1U主機殼。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述資料儲存系統包括在所述主機殼中並排放置的第一交換臺與第二交換臺，所述主機殼包括2U主機殼。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的資料儲存系統，其中所述中間板包括可程式化邏輯裝置，所述可程式化邏輯裝置探測所述至少一個資料儲存裝置的存在並對所述一個或多個交換臺的處理器、控制器或基板管理板中的至少一個提供介面，以管理所述至少一個資料儲存裝置的操作。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的資料儲存系統，其中所述中間板將所述資料儲存裝置配置成以高可用性模式操作。
  14. 一種可程式化邏輯裝置，包括：暫存器；一個或多個基板管理板多工器；以及槽位多工器，其中所述可程式化邏輯裝置集成在資料儲存系統的中間板中，且所述中間板包括驅動器槽，所述驅動器槽包括用於插入至少一個資料儲存裝置的連接件，其中所述可程式化邏輯裝置使用所述一個或多個基板管理板多工器中的相應者來對一個或多個交換臺的一個或多個基板管理板提供介面，以管理所述至少一個資料儲存裝置的操作，其中所述一個或多個基板管理板多工器中的每一者連接到所述槽位多工器，以使所述一個或多個交換臺的基板管理板能夠同時與所述至少一個資料儲存裝置進行通訊，其中所述可程式化邏輯裝置通過允許所述一個或多個基板管理板中的每一者存取所述暫存器來基於所述連接件上的第一訊號根據第一協定對所述至少一個資料儲存裝置提供介面，且其中所述可程式化邏輯裝置能夠基於所述連接件上的第二訊號根據第二協定來重新配置所述至少一個資料儲存裝置。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的可程式化邏輯裝置，其中所述可程式化邏輯裝置與所述資料儲存系統的一個或多個交換臺進行介接。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的可程式化邏輯裝置，其中所述可程式化邏輯裝置是現場可程式化閘陣列。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的可程式化邏輯裝置，其中所述暫存器包括配置暫存器、現用基板管理板識別字、槽位識別字及存在暫存器。
  18. 如申請專利範圍第14項所述的可程式化邏輯裝置，其中所述連接件包括引腳，所述引腳是由供應商定義的預留引腳。
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