NAND フラッシュ 101: PCIe Gen4 SSD とは何ですか?なぜ重要ですか?

PCIe Gen 4 SSD について知っておくべきことすべて

Author シェーン・グリーン | 2021 年 10 月 4 日 | 全て, NANDフラッシュ101, テクノロジー

NAND-Flash-101-PCIe-Gen-4-SSD とは何か、そしてなぜそれが重要なのか

過去 10 年間、PCIe がコンピューターのマザーボード上の高速周辺ハードウェアコンポーネントを接続するための標準インターフェイスであったことは、新しいことではありません。この規格は最初のリリース以来、3 ～ 4 年ごとに着実に転送速度のアップグレードと世代交代を行ってきましたが、2017 年に PCIe 4.0 が登場し、技術革新に対する注目と熱意の波が集まりました。データストレージの観点から見ると、「Gen 4」インターフェイスは、PCIe 3.0 規格に基づいて構築された NVMe ソリッドステートドライブ (SSD) の長年にわたる帯域幅の上限である約 3 GB/秒を解放しました。インターフェイスのアップグレードにより、多くのベンダーは、第 4 世代インターフェイスに対応し、プロセッサ層とストレージ層のハードウェアソリューション間のボトルネックに対処するためのより良い設計を推進するようになりました。

PCIe インターフェイスと Gen 4 の基本

周辺コンポーネントの観点から見ると、PCIe インターフェイスは、コンポーネントモジュール開発プロセス内の「フロントエンド」と見なされます。適切な「フロントエンド」設計の最終目標は、ターゲットインターフェイスを介してハードウェアモジュールとコンピュータシステム間の堅牢な接続を確保することです。

設計と開発のプロセスは、ハードウェアとファームウェアの 2 つのフェーズに分けることができます。 2000 年代初頭から続く PCIe を使用した「フロントエンド」設計作業における革新に疑問を呈するのは簡単ですが、ハードウェアおよびファームウェアの改善努力の詳細により、各インターフェイス仕様のリリースとともに成熟した設計が際立っています。

「フロントエンド」設計のメインフレームを理解するには、まず PCIe インターフェイスのハードウェア構成の基本を確認する必要があります。ストレージコンポーネントを PCIe 経由でマザーボードに接続するには、通常 x1、x4、x8、および x16 スロット構成と呼ばれるハードウェアコネクタの 1 つを採用します。たとえば、Gen 4×4 構成は、コネクタが PCIe 基本仕様リビジョン 4.0 の必要な設計および特性要件に従っており、同時に 4 つの PCIe 「レーン」を通じてデータ信号を送信することを示します。各レーンは双方向の経路であり、1 秒以内に数十億の電気信号を「点滅」させます。 Gen 4 PCIe レーンは、1 秒あたり 16 ギガ転送 (GT/s) でシグナリングを実行します。論理 1 と 0 を表す高/低電圧の電気信号の放出を通じて、送信ノードと受信ノードの間で 1 つの「ビット」データを交換できますが、16 GT/s は、1 秒間にそのような実行が 160 億回行われることを示します。

さらに、PCIe レーンは「全二重」メカニズムで機能します。つまり、双方向のデータ転送を同時に行うことができます。したがって、16 GT/秒の転送速度は、理論的には、第 4 世代コネクタ上で動作する有能な PCIe コンポーネントが、使用可能な 32 レーンのうちの 1 つ内で 1 秒以内に 320 億のデータビットを交換できることを示しています。

ただし、この計算の落とし穴は、他の多くのデータ転送ハードウェアインターフェイスと同様に、PCIe がクロック情報をデータストリームにエンコードすることでデータを保護していることです。 PCIe Gen 3 以降、データ保護には 128 ビットから 130 ビットのエンコード方式が使用されます。この方式では、リンクの受信側でのデータの識別と検証に役立つように、保存されたクロック情報として 130 ビット転送ごとに 2 ビットが必要です。単純な除算と乗算により、16GT/s は 157 億 5,400 万ビット/秒の転送速度になり、一般に 15.754 Gb/s の意味のあるデータビット転送と呼ばれます (クロック情報ビットは無視します)。

クロック情報ビットをカウントすると、16 Gb/s の物理帯域幅が得られます。その後、8 ビットから 1 「バイト」のレートで 4 ギガバイト/秒 (GB/s) に変換できます。これは、モジュールレベルの帯域幅の世界および全体で、より一般的に使用される標準データサイズ単位です。さらに、PCIe Gen 4 の総帯域幅は最大 64 GB/秒の拡張性を備えており、前世代の PCIe 3.0 の最大スループットの 2 倍になります。

この進歩の重要性を大局的に考えると、コンピュータ上で入力された文字のデータサイズは 1 バイト (または 8 ビット) であり、PCIe Gen 4x16 インターフェイスは 1 つのインターフェイス内で 320 億文字のファイルのペアを交換できます。 2番。 1080p HD ムービーは通常、約 10 GB のファイルにスタックされます。64 GB/秒の帯域幅により、理想的なデータ処理環境下では、そのうちの 3 つをストレージからコンピューターにコピーしながら、3 つすべてを 1 秒で移動できます。それにもかかわらず、PCIe フラッシュストレージのボトルネックは、16 レーンのフル機能をはるかに下回ったままです。 2021 年の主流の NVMe SSD は主に x4 構成を使用しており、物理パフォーマンスの上限は 8GB/秒になります。

PCIe仕様の概要

現在最も広く採用されているストレージインターフェイスには、単なるパフォーマンス指標以外にも多くの機能があります。 PCIe プロトコルの下で規制される電気信号は、以下を含む (ただしこれらに限定されない) 詳細な機能と能力を規制します。

- - インターフェースの初期化、
  - メンテナンスステータスの追跡、
  - 相互接続電源管理、
  - レーンマッピングネゴシエーション、
  - インターフェイスレベルのデータエンコーディング/デコーディング、
  - 埋め込みクロックチューニングも

物理層の先に目を向けると、SSD フロントエンドの適切な動作にとって、同様に、あるいはそれ以上に重要な他の 2 つの PCIe 仕様があります。「データリンク層」（または単に「リンク層」）と「トランザクション層」です。「物理」という言葉が示すように、この層内の機能の多くはストレージモジュールのハードウェア設計に大きく依存します。一方、上記の 2 つの層を理解すると、フロントエンド関連のファームウェアモジュールを理解するのに役立ちます。

物理層のすぐ上には、信頼性の高いシステム間情報交換を保証するために物理層と連携する役割を担うデータリンク層があります。「データ」ではなく「情報」という表現に注意してください。これは、この層内のエンジニアリングの重点が、データ信号伝達における物理的な観点から、物理的な接続とリンクに関する論理的な、さらにはファームウェアの観点に移行しているためです。物理層との連携には、物理層との間での電力状態の伝達、リンクレベルのデータ保護、エラーの再試行/ロギングサービスが含まれます。

PCIe 設計層の最後はトランザクション層です。これは、トランザクション層パッケージ (TLP) として知られるデータパッケージの移動に作用します。 TLP の生成と受信により、トランザクション層は PCIe リンクの反対側とフロー制御情報を交換します。より具体的には、システム/ストレージプロセッサによって生成されたリンク構成情報と、物理層ハードウェアによって生成されたリンク機能が保存されます。さらに、TLP の処理は、ソフトウェアとハードウェアの両方で開始される電源管理メカニズムの主要な基盤でもあります。上記の 2 つの層を理解すると、フロントエンド関連のファームウェアモジュールを理解するのに役立ちます。

全体として、トランザクション層は、ハードウェアとファームウェアの同期化を必要とするリンク処理と電源管理という重責を担っています。

PCIe Gen 4市場の概要

PCIe アーキテクチャの階層化設計モデルの継続的な改良により、この仕様は、現在の基準を超えて進化し続ける拡張可能でスケーラブルなデータ転送インターフェイスを策定しました。第 5 世代ストレージコントローラーソリューションが 2021 年市場に (新たな第 6 世代の議論とともに) 登場するなど、次世代 PCIe に向けた技術進歩が差し迫っているにもかかわらず、市場での採用は、日々業界レベルのストレージ収益に即座に貢献します。

PCI-SIG ワークグループがすでに第 4 世代のはるか先を見据えていることは周知の事実ですが、主流のソリッドステートストレージ市場はまだ第 4 世代採用の真昼にあります。 AMDはコンシューマー市場から始めて、Computex 2019でX570チップセットを搭載したPCIe Gen 4プラットフォームを発表した最初のシステムメーカーとしての地位を確保しました。同じ年内に、Phisonは世界初のPCIe Gen 4フラッシュコントローラーの発売を主導しました。当社の E16 ソリューションは、バックミラーの外にある Gen 3 のパフォーマンスを実現し、5 GB/秒のスループットでデータを移動します。

一方、Intel は、Rocket Lake というコード名で呼ばれる新しいプラットフォームの登場を発表しました。これはタイミング的には遅かったかもしれませんが、サポートされている PCIe 周辺機器のパフォーマンスの点ではそうではありませんでした。 Intel が発表した公式ベンチマーク結果によると、PCIe Gen 4 SSD と Rocket Lake プラットフォームの組み合わせにより、2020 年に Gen 4 のパフォーマンスが次のレベルに引き上げられました。

この画期的な進歩に共鳴し、Phison は同年後半に刷新された E18 PCIe Gen 4 コントローラーソリューションを発売し、第 4 世代の記録をピークまで押し上げました。これは、7 GB/秒を超えるスループットで動作する世界初のコントローラーソリューションとなりました。世界クラスの CPU/プラットフォームベンダー 2 社との強力なパートナーシップを継続することで、ファイソンは PCIe コンシューマー市場をリードし、デスクトップ、ラップトップ、ゲーム、ワークステーション市場にわたる最先端のストレージソリューションでパートナーと顧客をサポートする準備を整えていきます。

業界の裏側では、機械学習、人工知能 (AI)、深層学習などのエンタープライズグレードとデータセンターグレードのハイパフォーマンスコンピューティングアプリケーションの成長が続いており、サーバー市場はより大きなコンピューティングパワーを求めるよう刺激されています。。安定したサービス品質を確保するために信頼性の高い一貫性と信頼性を備えた高性能ストレージの必要性は、帯域幅要件を満たすために活用される PCIe Gen 4 ストレージソリューションへの移行の絶好の機会です。スループットのニーズに加えて、ほとんどのエンタープライズおよびデータセンターグレードのユースケースでは、ストレス下での仕様外の遅延を許容せずに安定したパフォーマンスを規制する厳格な基準に従います。

この需要に応えるには、PCIe Gen 4 への移行をシームレスに行うために、顧客のアプリケーションに合わせて微調整できる強力なハードウェアおよびファームウェアの設計能力が必要です。第 4 世代ソリューション市場の先駆者として、Phison のエンジニアリングチームは、クラウドおよびハイパフォーマンスコンピューティング市場の移行に乗り出し、フロントエンドのボトルネックを解放することで次のレベルのストレージサービスを追求するための準備を入念に行ってきました。

Phison は、第 4 世代アプリケーションおよび消費者市場向けの第 4 世代 SSD ソリューションの迅速かつタイムリーな提供で実績を証明しています。当社は、エンタープライズ市場アプリケーションにおける第 4 世代および第 5 世代への移行をサポートするために、同様の注意とエンジニアリングリソースを投入しています。