PCIe接口与NAND闪存盘

(资料图)

外围组件快速互联(peripheral component interconnect express，简称PCIe或PCI-Express)，是一种高速串行计算机扩展总线标准，使用PCIe接口与计算机连接的固态硬盘、显卡、网卡等外设因其数据传输速度高、带宽大的特点，从而具有更高的数据传输效率。

通俗来讲，就是在“主机”和“SSD盘”两座城市间建立一条名为“PCIe”的高速公路，相比于普通公路，运输数据的车辆不仅可以跑得更快，能使用的车道也更多，自然每时每刻有更多的数据来往于两座城市之间。近年来，PCIe技术已经成熟，较之传统硬盘的性能迎来新的飞跃，但同时也为携带数据“车辆”的可靠程度——NAND信号的传输质量带来更严峻的考验。

目前市场上主流SSD均采用四通道PCIe4.0传输，根据PCI标准组织——PCI特别兴趣小组（PCI-Special Interest Group，简称PCI-SIG）给出的定义， PCIe4.0标准的单通道传输速度为每秒二十亿字节（2GB/s），相当于1秒钟完成一部高清电影下载，即理论上四通道最高能够实现每秒八十亿字节（8GB/S）的传输速度。

如今，SSD盘的容量已经突破32TB（1TB=1000GB），更大容量的SSD盘将使用更多的NAND，这就意味着“PCIe高速路”上来自不同“NAND城市”的车辆越来越多，携带不同“牌号”的车辆越来越多地汇入同一条高速路。随着传输数据的信号种类和频率增加，如果不采取必要处理手段，信号质量在多种高频信号相互反射的影响下就会越差，进而降低数据传输速率，最终导致SSD盘无法完全发挥PCIe技术的速度优势。

那么“质量好”的车应具备哪些硬件和软件方面的特点？

其一，车身坚固——即高信号强度，在各种路况（电压）、天气（温度）下正常行驶，支持高速度（频率）行驶，在发生事故（信号反射）时仍能保证将乘客（数据）安全送达；

其二，速控灵敏——即信号波形稳定无扰动，能够在高速车道（高频）和低速车道（低频）灵活切换，同时在同一车道上车距（相位）保持有序，连续的信号波形无抖动和串扰。

如何提高NAND信号质量？

由于NAND闪存颗粒（NAND Flash）接口速率越来越高，由每秒百万比特发展到每秒十亿比特，NAND厂商想出了各种办法来解决高速信号带来的信号完整性问题。例如改变NAND驱动与端接方式，以及在初始化时通过硬件手段对NAND某些电路引脚进行特殊处理，即进行ZQ校准（ZQ Calibration）、DQ读写训练（Read DQ Training、Write DQ Training）和使能信号占空比训练（DCC Training）等。在SSD固件开发中，可以基于不同的需求充分利用这些特性，通过增加相应功能来提高NAND信号质量。

第一，改变NAND端接方式。

端接，即一种消除信号反射的方式。片内端接（On Die Termination，简称ODT） 就是将端接电阻移植到了NAND内部而非PCB。

目前常用的端接主要有Target ODT、Non Target ODT等方式，以下为不同拓扑方式对比：

不同端接拓扑方式对比

简单来说，端接处就像“PCIe”高速路的收费站，Target ODT模式表示这唯一一条高速路通向多少个“NAND”城市，终点就有多少个收费站。要实现这一点，就需要在终点建设对应数量的匝道，每条匝道延伸到不同收费站“target”。但随着SSD盘容量的升级，终点处的城市数越来越多，如果还是按照Target ODT模式，终点处的匝道数也随着“NAND”城市数增加。如果下高速前要从十几个匝道中选择一个正确的匝道驶离，对于司机来说即使是有导航也是一件困难的事，势必会导致车辆下高速过程中发生混乱（信号扰动）。Non Target ODT模式是保持原有匝道数不变，规定一定数量的“NAND”城市为一组，共用一个匝道，即一个匝道的出口是两个以上的“NAND”城市，通过投入一定预算（功耗），安排一批交警（命令）保证从同一匝道下高速的车辆正确前往对应的“NAND”，来维持原有的匝道数，使行程终点的交通不至于因为“NAND”增加而混乱，既保证了高速信号在到达接收处降速时的信号质量，也最大可能的维持了传输信号的高速率。

各种端接方式优缺点：

Target ODT简单易行，是最常用的方式，无额外性能损耗，适用于IO接口速率不是很高的情况，比如800MT/s；

Non Target ODT对信号反射的处理更好，使得Target Die上的信号质量进一步提升，IO可以跑到更高的速率，比如1.2GT/s，由于使用时需要额外的命令设置，对总线效率有一定影响，并且功耗会有所增加；

另外为了应对更高的NAND IO接口频率，比如2.4GT/s，或者更高，近年来增加IO Buffer Chip的方式也成为发展的一个趋势，但此设计增加了SSD电路及Firmware设计的复杂性，NAND成本和功耗也进一步增加，添加Buffer有在外部总线添加和NAND内置两种：

第二，ZQ校准（ZQ Calibration）。

为了在提高信号完整性的同时增强输出信号的强度，NAND中引入了终端电阻和输出驱动器，想要在温度和电压发生变化的场景下仍然能够保持良好的信号质量，就需要借助ZQ Calibration对这些终端电阻和输出驱动器进行校准。通过一系列精密的电路设计，在SSD盘初始上电过程中调整终端电阻阻值到设计的精确值，以保证信号输出所需的电压、电流达到理想值，信号在生成之初就可具有较高质量和抗干扰性。

ZQ Calibration在低速时是可选的，但当NAND传输速度超过533MT/s时则必须开启该功能（以某一款NAND举例）。

第三，增加Training功能。

Training的过程，是为了找出在Controller和NAND间进行数据读写时的最优信号的位置，而进行的探索性调整相位的过程。一般NAND IO速率超过800MT/s就需要开启该功能，通过NAND的Read、Write Training来优化信号Window，使数据读写的建立、保持时间裕量更大，达到提升信号质量的目的。

以浪潮信息企业级SSD在实际测试中通过改变NAND特性带来的信号质量提升为例：

左图是使用Target ODT及未加Training时的仿真波形，可以看出信号质量比较差，并且IO速率得到限制，只能跑到最佳性能所需速率值的三分之二（667MT/s），如果再提高频率就会造成数据出错；右图是将端接改为Non Target ODT和增加Training后的波形，可以看出信号质量明显改善，并且IO频率可以达到理想值1000MT/s，甚至更高，信号质量得到显著提高。

未经处理的信号 优化后的信号

由于IO频率的提升，NAND到Controller DDR RAM之间数据传输的时间减小，就单个Data Frame而言，时间减小2.288us，减小了读时延，提高了QoS指标（Quality of Service 服务质量）。

浪潮信息：持续升级企业级SSD

浪潮信息企业级SSD（型号NS6500G2），采用8 Channel SSD Controller(SHX1000)，通过以上措施提升NAND信号质量，使得NAND IO频率稳定运行在1.2GT/s，将PCIe4.0性能发挥到极致。除SSD Controller之外，NS6500G2在NAND颗粒和Firmware上实现全部技术创新，支持加密算法和标准日志接口，能提供高运维效率，降低客户TCO。多项关键技术创新能够更好地满足客户需求。

近年来，浪潮信息持续加大产品投入和创新，通过内在技术打磨和外延销售网络扩展，不断提升自身在各生态领域下的地位，以精益精造的理念，不懈追求更高速、更可靠的数据传输模式，充分发挥闪存高效、可靠、绿色的优势，以创新助推技术产品化，以合作谋求行业数字化转型，全面释放数据价值，推动数字经济融合发展。