NAND Flash 101: PCIe Gen4 SSD란 무엇이며 왜 중요한가요?

PCIe Gen 4 SSD에 대해 알아야 할 모든 것

작가 셰인 그린 | 2021년 10월 4일 | 모두, 낸드 플래시 101, 기술

NAND-Flash-101-PCIe-Gen-4-SSD란 무엇이며 중요한 이유

PCIe가 지난 10년 동안 컴퓨터 마더보드의 고속 주변 하드웨어 구성 요소를 연결하기 위한 표준 인터페이스였다는 것은 새로운 소식이 아닙니다. 최초 출시 이후 3~4년 주기로 꾸준한 전송률 업그레이드와 세대교체를 거치는 가운데 PCIe 4.0은 2017년 등장해 기술혁신에 대한 관심과 열의를 불러일으켰다. 데이터 스토리지 관점에서 "Gen 4" 인터페이스는 PCIe 3.0 표준을 기반으로 구축된 약 3GB/s의 NVMe 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)의 오랜 대역폭 한계를 드러냈습니다. 인터페이스 업그레이드는 많은 공급업체가 Gen 4 인터페이스를 수용하고 프로세서 계층과 스토리지 계층 하드웨어 솔루션 간의 병목 현상을 해결하기 위해 더 나은 설계를 추진하도록 장려했습니다.

PCIe 인터페이스 및 Gen 4 기본 사항

주변 구성 요소 관점에서 PCIe 인터페이스는 구성 요소 모듈 개발 프로세스 내에서 "프론트 엔드"로 간주됩니다. 적절한 "프런트 엔드" 설계의 궁극적인 목표는 대상 인터페이스를 통해 하드웨어 모듈과 컴퓨터 시스템 간의 강력한 연결을 보장하는 것입니다.

설계 및 개발 프로세스를 하드웨어와 펌웨어의 두 단계로 분리할 수 있습니다. 2000년대 초부터 지속된 PCIe를 사용한 "프론트 엔드" 설계 작업에 들어가는 혁신에 의문을 제기하기는 쉽지만 하드웨어 및 펌웨어 개선 노력의 세부 사항은 각 인터페이스 사양의 릴리스와 함께 성숙한 설계를 돋보이게 합니다.

"프론트 엔드" 설계 메인프레임을 이해하려면 먼저 PCIe 인터페이스 하드웨어 구성 기본 사항을 검토해야 합니다. 스토리지 구성 요소를 PCIe를 통해 마더보드에 연결하기 위해 일반적으로 x1, x4, x8 및 x16 슬롯 구성이라고 하는 하드웨어 커넥터 중 하나를 채택합니다. 예를 들어, Gen 4×4 구성은 커넥터가 PCIe 기본 사양 개정판 4.0의 필수 설계 및 특성 요구 사항을 따르고 동시에 4개의 PCIe "레인"을 통해 데이터 신호를 전송함을 나타냅니다. 각 레인은 1초 내에 수십억 개의 전기 신호를 "깜박이는" 양방향 경로입니다. Gen 4 PCIe 레인은 초당 16기가 전송(GT/s)에서 신호를 수행합니다. 논리 1과 0을 나타내는 고/저 전압의 전기 신호를 방출하여 송신 노드와 수신 노드 간에 1비트의 데이터를 교환할 수 있지만, 16GT/s는 이러한 실행이 1초 동안 160억 번 수행되었음을 나타냅니다.

또한 PCIe 레인은 "전이중" 메커니즘에서 작동합니다. 즉, 두 방향의 데이터 전송이 일치할 수 있습니다. 따라서 이론적으로 16GT/s의 전송 속도는 4세대 커넥터에서 작동하는 유능한 PCIe 구성 요소가 사용 가능한 32개 레인 중 하나 내에서 1초 내에 320억 데이터 비트를 교환할 수 있음을 나타냅니다.

그러나 다른 많은 데이터 전송 하드웨어 인터페이스와 마찬가지로 PCIe가 데이터 스트림에 클록 정보를 인코딩하여 데이터를 보호한다는 계산상의 문제가 있습니다. PCIe Gen 3부터 데이터 보호를 위해 128비트에서 130비트로의 인코딩 체계가 사용됩니다. 이 체계는 링크의 수신측에서 데이터를 식별하고 확인하는 데 도움이 되도록 저장된 클록 정보에 대해 130비트 전송마다 2비트가 필요합니다. 간단한 나눗셈과 곱셈을 통해 16GT/s는 일반적으로 15.754Gb/s의 의미 있는 데이터 비트 전송(클록 정보 비트 무시)이라고 하는 초당 157억 5400만 비트의 전송 속도로 바뀝니다.

클럭 정보 비트에서 계산하면 16Gb/s의 물리적 대역폭이 제공됩니다. 그런 다음 8비트에서 1"바이트"의 속도로 초당 4기가바이트(GB/s)로 변환할 수 있습니다. 이는 모듈 수준 대역폭 및 전체에서 더 일반적으로 사용되는 표준 데이터 크기 단위입니다. 또한 PCIe Gen 4 받아쓰기의 총 대역폭은 이전 세대 PCIe 3.0의 최대 처리량의 두 배인 최대 64GB/s의 확장성을 제공합니다.

이러한 발전의 의미를 전체적으로 살펴보면 컴퓨터에 입력된 문자의 데이터 크기는 1바이트(또는 8비트)이며 PCIe Gen 4×16 인터페이스는 한 쌍의 320억 문자 파일을 한 쌍의 두번째. 1080p HD 영화는 일반적으로 최대 약 10GB의 파일을 쌓을 수 있으며 64GB/s 대역폭을 사용하면 이상적인 데이터 처리 환경에서 3개를 모두 1초에 이동하면서 저장소에서 컴퓨터로 3개를 복사할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 PCIe 플래시 스토리지 병목 현상은 16레인 전체 용량보다 훨씬 낮습니다. 2021년 주류 NVMe SSD는 주로 x4 구성을 사용하여 물리적 성능 상한을 8GB/s로 설정합니다.

PCIe 사양 개요

가장 널리 채택된 현재 스토리지 인터페이스에는 성능 지표보다 더 많은 방법이 있습니다. PCIe 프로토콜에 따라 규제되는 전기 신호는 다음을 포함하되 이에 국한되지 않는 심층 기능 및 기능을 규제합니다.

- - 인터페이스 초기화,
  - 유지보수 상태 추적,
  - 전원 관리 상호 연결,
  - 차선 매핑 협상,
  - 인터페이스 수준 데이터 인코딩/디코딩,
  - 임베디드 클럭 튜닝

물리 계층 너머에는 적절한 SSD 프런트 엔드 작동에 있어 그 이상은 아니지만 그만큼 중요한 두 가지 다른 PCIe 사양이 있습니다. "데이터 링크 계층"(또는 그냥 "링크 계층") 및 "트랜잭션 계층". "물리적"이라는 단어에서 알 수 있듯이 이 계층 내의 많은 기능은 스토리지 모듈의 하드웨어 설계에 크게 의존합니다. 반면에 위의 두 계층을 이해하면 프런트 엔드 관련 펌웨어 모듈을 이해하는 데 도움이 됩니다.

물리 계층 바로 위에는 신뢰할 수 있는 시스템 간 정보 교환을 보장하기 위해 물리 계층과 공동 작업을 담당하는 데이터 링크 계층이 있습니다. 이 계층 내의 엔지니어링 강조가 데이터 신호의 물리적 보기에서 물리적 연결 및 연결에 대한 논리적 및 보다 펌웨어 보기로 이동했기 때문에 "데이터"가 아닌 "정보"라는 표현에 유의하십시오. 물리 계층과의 협력은 물리 계층과의 전력 상태 전달, 링크 수준 데이터 보호 및 오류 재시도/로깅 서비스를 포함합니다.

마지막으로 중요한 PCIe 설계 계층은 TLP(트랜잭션 계층 패키지)로 알려진 데이터 패키지의 이동에서 작동하는 트랜잭션 계층입니다. TLP의 생성 및 수신과 함께 트랜잭션 계층은 PCIe 링크의 다른 쪽과 흐름 제어 정보를 교환합니다. 특히 시스템/스토리지 프로세서에서 생성된 링크 구성 정보와 물리 계층 하드웨어에서 생성된 링크 기능을 저장합니다. 또한 TLP 처리는 소프트웨어 및 하드웨어 시작 전원 관리 메커니즘의 기본 기반이기도 합니다. 위의 두 계층을 이해하면 프런트 엔드 관련 펌웨어 모듈을 이해하는 데 도움이 됩니다.

대체로 트랜잭션 계층은 동기화된 하드웨어 및 펌웨어 작업을 요구하는 링크 처리 및 전원 관리의 무거운 의무를 수행합니다.

PCIe Gen 4 시장 개요

PCIe 아키텍처에 대한 계층화된 설계 모델의 지속적인 개선을 통해 사양은 현재 조치 이상으로 계속 진화할 확장 가능하고 확장 가능한 데이터 전송 인터페이스를 공식화했습니다. Gen 5 스토리지 컨트롤러 솔루션이 2021년 시장에 출시됨에 따라 차세대 PCIe를 향한 기술 발전이 임박했음에도 불구하고(Gen 6 논의와 함께) 시장 채택은 날마다 업계 수준의 스토리지 수익에 즉시 기여하는 것입니다.

PCI-SIG 워크그룹이 이미 4세대를 넘어서고 있다는 것은 비밀이 아니지만 주류 솔리드 스테이트 스토리지 시장은 여전히 4세대 채택의 정오에 있습니다. 소비자 시장을 시작으로 AMD는 Computex 2019에서 X570 칩셋으로 PCIe Gen 4 플랫폼을 출시한 최초의 시스템 제조업체로서의 입지를 확보했습니다. 5GB/s 처리량으로 데이터를 이동하면서 백미러에서 Gen 3 성능을 발휘하는 E16 솔루션입니다.

한편, 인텔은 코드명 Rocket Lake라는 새로운 플랫폼의 출시를 발표했는데, 이는 타이밍이 늦었지만 지원되는 PCIe 주변 장치의 성능 면에서는 그렇지 않았을 수 있습니다. Intel이 발표한 공식 벤치마크 결과에서 Rocket Lake 플랫폼과 결합된 PCIe Gen 4 SSD는 2020년에 Gen 4 성능을 한 단계 끌어올렸습니다.

이러한 혁신에 반향을 불러일으킨 Phison은 같은 해 후반에 새로워진 E18 PCIe Gen 4 컨트롤러 솔루션을 출시하여 Gen 4 기록을 최고치로 끌어올렸습니다. 7GB/s 이상의 처리량을 기록하는 세계 최초의 컨트롤러 솔루션이 되었습니다. 두 개의 세계적인 CPU/플랫폼 공급업체와의 지속적인 강력한 파트너십을 통해 Phison은 PCIe 소비자 시장을 주도하고 데스크톱, 노트북, 게임 및 워크스테이션 시장을 포괄하는 최첨단 스토리지 솔루션으로 파트너와 고객을 지원할 준비를 유지할 것입니다.

업계의 이면에서는 머신 러닝, 인공 지능(AI) 및 딥 러닝과 같은 엔터프라이즈 및 데이터 센터급 고성능 컴퓨팅 애플리케이션의 지속적인 성장으로 인해 서버 시장이 보다 실질적인 컴퓨팅 성능에 도달하도록 자극했습니다. . 안정적인 서비스 품질을 보장하기 위해 신뢰할 수 있는 일관성과 신뢰성을 갖춘 고성능 스토리지에 대한 필요성은 PCIe Gen 4 스토리지 솔루션으로 전환하여 대역폭 요구 사항을 충족할 수 있는 완벽한 기회입니다. 처리량 요구 사항 외에도 대부분의 엔터프라이즈 및 데이터 센터 등급 사용 사례는 스트레스 하에서 사양을 벗어난 대기 시간에 대한 낮은 허용 오차로 안정적인 성능을 규제하는 엄격한 기준을 따릅니다.

이러한 요구에 부응하려면 PCIe Gen 4 전환이 원활하게 이루어지도록 고객 애플리케이션에 맞게 미세 조정할 수 있는 강력한 하드웨어 및 펌웨어 설계 능력이 필요합니다. 4세대 솔루션 시장의 선구자로서 Phison의 엔지니어링 팀은 클라우드 및 고성능 컴퓨팅 시장 전환에 뛰어들고 프런트 엔드 병목 현상을 풀어 다음 단계의 스토리지 서비스를 추구하기 위해 열심히 준비하고 있습니다.

Phison은 4세대 애플리케이션에서 성과를 입증했으며 소비자 시장을 위한 4세대 SSD 솔루션을 신속하고 시기 적절하게 제공합니다. 우리는 엔터프라이즈 시장 애플리케이션에서 4세대 및 5세대 전환을 지원하기 위해 동일한 관심과 엔지니어링 리소스를 제공하고 있습니다.