EDSFF: Новый стандарт хранения данных

        Сегодня все больше дата-центров переходит на сверхбыстрые твердотельные накопители на базе NVMe и PCIe (4.0 и 5.0). О развитии этого стандарта мы рассказывали в предыдущей статье. Казалось бы, проблема производительности подсистемы ввод-вывод решена, но тут же возникла новая: скоростные SSD стали заложниками устаревших физических размеров.

        Привычные нам форм-факторы – 2.5-дюймовые диски U.2 и плоские M.2 – перестали отвечать требованиям серверной среды. U.2, установленные вплотную друг к другу в лотках корзин горячей замены, превратились в «ловушки для тепла», не позволяя эффективно отводить возросшие 20-30 Ватт тепловой энергии. M.2 же, при всей своей компактности, имеют проблемы с целостностью сигнала на высоких частотах при максимальных нагрузках.

        Ответом индустрии стал новый стандарт EDSFF – полностью переосмысленное семейство форм-факторов, где на первое место поставлены эффективный отвод тепла, рекордная плотность компоновки и готовность к работе с новейшими стандартами PCIe. В этой статье разберем, почему старые форматы устаревают и как устроен новый стандарт.

Почему U.2 и M.2 устаревают?

Повышенное энергопотребление

        Переход на PCIe 5.0 стал настоящим прорывом в производительности: современные накопители способны последовательно читать данные со скоростью 12 ГБ/с и выше. Однако у этого прорыва есть обратная сторона. Для достижения таких скоростей контроллеры SSD работают на высоких частотах, а каналы памяти NAND функционируют на пределе возможностей.

        Результат закономерен: энергопотребление и, как следствие, тепловыделение резко выросли. Если для PCIe 3.0 накопителей было достаточно 6–8 Вт, то серверные модели на PCIe 4.0 или 5.0 уже потребляют от 20-30 Вт. В микроэлектронике почти вся потребляемая мощность превращается в тепло. Представьте себе нагревательный элемент такой мощности, зажатый в тонком корпусе накопителя – именно такие условия работы у современных SSD. Как только температура достигает критической отметки, контроллер начинает пропускать такты или снижать скорость операций ввода-вывода, чтобы спасти электронику от разрушения. Производительность падает в разы, и дорогой скоростной диск превращается в «черепаху».

Нарушение сигнальной целостности

        Немаловажной стала также проблема сигнальной целостности, то есть способности электрического сигнала доходить от отправителя к получателю без искажений, потерь и помех. Разъемы U.2 и M.2 унаследовали многие электрические и механические особенности интерфейсов SAS и SATA. Они, конечно, создавались с запасом универсальности, но без учета жестких требований к качеству сигнала на высоких частотах. С приходом PCIe 5.0 (32 GT/s) и особенно PCIe 6.0 (64 GT/s) старые разъемы перестали справляться. Возникли две главные проблемы:

• Трехконнекторная топология U.2 (хост → backplane → накопитель), которая создает слишком длинный путь с потерями, превышающими допустимый бюджет затухания в 35 дБ.
• Перекрестные помехи (NEXT) – передающие и принимающие пары в U.2 и M.2 расположены слишком близко, без должного экранирования, что на высоких частотах вызывает взаимные наводки. Проблема особенно критична для M.2: иногда даже прямое подключение SSD к слоту на материнской плате не гарантирует безошибочной работы на PCIe 5.0.

        Для частичного решения этих проблем требуются дорогостоящие компоненты – материалы плат с низкими потерями и высокоскоростные микросхемы, которые работают как ретрансляторы, восстанавливающие сигнал. И если для PCIe 5.0 решение может быть найдено, то для PCIe 6.0 ситуация значительно хуже из-за неустранимых конструктивных ограничений разъема.

Что такое EDSFF?

        EDSFF – это новый промышленный стандарт для унифицированного размещения любых высокопроизводительных PCIe-устройств (твердотельных накопителей, CXL-модулей памяти, сетевых карт и ускорителей) в серверах и центрах обработки данных. Стандарт был разработан рабочей группой при Storage Networking Industry Association (SNIA), объединяющей ведущих производителей индустрии хранения данных. Давайте разберемся, что поменялось в новом стандарте

Отказ от пережитков прошлого

        Одно из ключевых изменений нового формата – полный отказ от устаревших габаритов жестких дисков. Как справедливо отмечают эксперты Hewlett Packard Enterprise (HPE), прежние размеры устройств достались нам от эпохи механики, и при переходе на флеш-память их просто сохранили по инерции для стандартизации размеров. Однако такая геометрия исчерпала себя и более не соответствует тепловым и компоновочным требованиям современных серверов.

Высокая производительность

        EDSFF предлагает принципиально иной подход: семейство форм-факторов E1.S, E1.L, E3.S, E3.L с вариативной геометрией, которая позволяет накопителям эффективно отводить тепло и поддерживать высокое энергопотребление. Спецификации EDSFF предусматривают питание до 70 Вт для самых производительных версий. Такая мощность необходима для PCIe 5.0 и будущего поколения PCIe 6.0. Кроме того, все EDSFF-накопители поддерживают горячую замену (hot-swap).

Решение проблемы сигнальной целостности

        Для решения проблемы сигнальной целостности в основе EDSFF лежит разъем SFF-TA-1002. Этот разъем разрабатывался под высокоскоростные протоколы и рассчитан на сигнальные скорости, необходимые для PCIe 5.0 и будущих поколений, включая PCIe 6.0 (PAM4). Главный недостаток старых разъемов – близкое расположение передающих и принимающих дифференциальных пар. Это создает мощные перекрестные помехи, которые на частотах PCIe 5.0 становятся фатальными. Новый стандарт предписывает разнесение этих пар на противоположные стороны разъема. Это кардинально снижает уровень перекрестных наводок, поскольку сигналы идут по физически разделенным линиям.

Немного истории

        Важно отметить эволюцию названия: изначально аббревиатура расшифровывалась как Enterprise and Data Center SSD Form Factor. Однако в марте 2021 года SNIA официально переименовала стандарт, заменив «SSD» на «Standard» . Это изменение отражает новую философию платформы – EDSFF выходит за рамки твердотельных накопителей и теперь поддерживает другие устройства: CXL-модули памяти, сетевые карты, ускорители и FPGA. Такой подход позволяет создать унифицированную экосистему, где разные типы устройств используют единый интерфейс.

Заключение

        Подводя итог, можно сказать, что появление EDSFF было неизбежным ответом на физические ограничения предшественников. Новый стандарт решает ключевые проблемы современных накопителей: эффективно отводит до 70 Вт тепла, обеспечивает целостность сигнала на скоростях PCIe 6.0 и позволяет кратно увеличить плотность хранения в стойке. Причем инфраструктура под новый стандарт уже доступна в России, корзины для E1.S есть в наличии на складе в Москве. Переход уже начался, и в ближайшие годы мы увидим, как этот форм-фактор станет доминирующим в корпоративном сегменте, особенно учитывая скорость развития сектора искусственного интеллекта.

Александр Залесский

Главный инженер компании Procase.

См. полную биографию