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嵌入式应用程序中的服务器级存储技术

2017-7-4 02:47 113 0
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摘要: 如何获得用于企业级NVMe SSD的优点是现阶段嵌入式人员的困境。本文主要描述新的基于FPGA的IP如何使用NVMe PCIe SSD能够用于嵌入式系统达到 20倍以上的功率效率,以及相比基于CPU的系统降低了20倍的成本和实现亚微秒 ...

如何获得用于企业级NVMe SSD的优点是现阶段嵌入式人员的困境。本文主要描述新的基于FPGA的IP如何使用NVMe PCIe SSD能够用于嵌入式系统达到 20倍以上的功率效率,以及相比基于CPU的系统降低了20倍的成本和实现亚微秒的延迟所带来的优势。


更高的性能仅需要有限的资源

嵌入式的本地数据存储应用程序可能是一个真正的设计挑战。来自各种类型的传感器中的大量的快速数据可以表明,如高分辨率摄像头,用于工业分析的测试台记录仪,或者物理实验中的数据采集。嵌入式应用程序在BOM Cost,功耗和空间方面的预算有限。在这篇文章中,介绍了实现高性能数据存储的新方法,允许在嵌入式环境使用服务器级存储技术。


现有的存储解决方案

嵌入式应用的数据存储解决方案可以在设备中构建,如串行闪存或eMMC,或者可移动支持,如SDCard,USB media或mSATA SSD。


下表提供了性能和容量范围的概述。


一些嵌入式应用需要更高的性能。举个例子,基于4k传感器的视频系统,以60帧/秒的速度,需要4096x2160x 3×60 =2GB / S。这是原始数据速率(显然,压缩数据的吞吐量较低)。它很容易理解,标准存储介质不能用于这种性能。该瓶颈在媒体物理接口上。所以此时需要新的media:PCI Express(PCIe)。这是在服务器,计算机和嵌入式应用中使用的众所周知的物理接口。它基于高速串行接口(PCIe Gen3中高达8Gbit / s),可以组合在一起或者使用多条通道。


PCIe接口已经通过PCIe SSD产品进入了几年前的存储市场,以加速密集应用,如大数据分析和数据基础。随之而来的是NVM Express(NVMe)规范,并利用市场接受度来引入并优化这种协议。 NVMe固态硬盘首先可以作为PCI卡,然后有2.5英寸的形状因素。最近,M.2的产品,甚至允许嵌入式应用程序中的服务器级存储作为BGA芯片并已经引入,使其更容易被集成到消费者中应用,如超极本和平板电脑。在性能方面,基于PCIe Gen3 x4的接口可以提供接近4GB / s的M.2,比mSATA高6倍。


另一个性能指标是IOPS编号:每秒IO,IO通常为4kB。回到高端视频系统的例子,并假设视频数据存储在存储驱动器上的4kB块中,导致大约500k的IOPS。这个是服务器应用程序的非常标准的数字,但对嵌入式应用程序而言非常高。在服务器上,在主机端,NVMe协议由CPU作为软件进行管理驱动程序。为了达到500k的IOPS,需要3.3GHz的1.8个内核,以100%的速度运行利用。在嵌入式环境中,这导致大约4 x 2GHz的内核处理功能,仅适用于500k IOPS的NVMe管理。这样的计算系统更多来自于服务器环境而不是嵌入式环境,将导致较高的BOM Cost(约400美元)和高功耗(约50W)。


这是两难的,NVMe SSD似乎是支持高性能存储唯一的解决方案,但它需要在主机端有着强大的计算能力,与嵌入式要求相反。


IP-Maker通过引入NVMe主机IP解决了这个问题

IP-Maker开发了针对嵌入式优化NVMe管理的应用程序,而不需要使用任何CPU。 NVMe主机驱动程序已被实现为一个完整的硬件IP并集成在FPGA或ASIC中。该IP集成在PCIe根端口和cache memory之间。 IP完全基于NVMe协议控制数据流。由于其优化的架构,它可以轻松地与低成本的FPGA一起使用适用于嵌入式应用。


在性能方面,它可以与高达PCIe Gen3 x8接口相关联,提供了亚微秒的延迟。因为它使用的是NVM Express标准接口,并且可以连接到市场上任何可用的商业NVMe SSD。相比基于CPU的系统,它提升了20倍的功率效率,并且降低了20倍的成本开销。


操作原理

IP可以用于读写操作。以下说明专注于写系统,如高端录像机。相机传感器是连接到FPGA,数据从传感器发送到高速缓存(外部)DDR。一旦缓存中的缓冲区准备就绪,就会配置NVMe主机管理器关于从缓冲区存储到NVMe SSD的数据的必要信息。这包括缓冲区起始地址和数据大小。然后主机管理器设置NVMe命令并管理数据传输。一旦NVMe数据传输完成后,缓冲区可用于新数据。


应用

许多嵌入式应用程序可以受益于这种高性能存储技术。这提供了存储更多和更快数据而不添加任何内容的可能性,也不需要增加昂贵的BOM Cost。因此,这样嵌入式系统公司就能设计一个新的生成具有额外存储功能的应用程序,为他们提供更多有价值的顾客。

随着云计算中高性能分析应用的需求不断增长,服务器市场上已经被开发出了许多新的技术。 IP-Maker成功地将这些技术的使用转移到了嵌入式世界。 来自IP-Maker的NVMe主机IP,将利用新一代嵌入式应用程序,高性能存储,以及嵌入式电源要求和BOM Cost带来更多改变。


总结

在不久的将来,将出现新的非易失性存储器,如MRAM,RRAM以及出现的3D XPoint。这将大大降低SSD一到两个数量级的延迟。NVMe主机IP具有亚微秒的延迟,已经为这一新一代做好了存储技术准备。


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最新评论

    cloudssd

    管理员
    这个人很懒什么都没写!
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