告别SATA后的下一步棋，NVMe机械硬盘？

电子发烧友网报道（文/周凯扬）无论是在消费级产品中，还是在数据中心这样的场景里，固态硬盘SSD都已经开始成为主流的存储介质，随着成本一再降低，高读写性能的固态硬盘甚至有了那么一点取代传统机械硬盘HDD的趋势。然而，在满足一些超大容量的存储中，比如冷数据存储等等，还是以机械硬盘为主。
 
当下主流的机械硬盘中，还是以串行ATA技术（SATA）为主，虽然也有基于SATA的固态硬盘面世，并将ATA总线的速度跑至极限。但相对使用PCIe总线的NVMe固态硬盘来说，数据传输速度的差异还是没法相提并论的，哪怕是PCIe 4.0的NVMe固态硬盘，最快也比SATA固态硬盘最高快上10多倍。
 
因此，考虑到平衡成本和性能，也有不少人建议用SATA固态硬盘来替代SATA机械硬盘。但对于数据中心来说，不同的接口对其数据传输效率和有限的空间造成了一定的影响，比如SAS、SATA等，如果都能转变成PCIe的话，就再好不过了，这也就催生了NVMe机械硬盘的出现。
 
高速转动磁盘的延续
 
在去年的OCP（开放计算项目）全球峰会上，希捷展示了业界首个原生NVMe机械硬盘，在HDD上展示了支持NVMe的可行性。希捷的方案将对NVMe协议的支持集成到了HDD控制器上，不需要任何的桥接。

NVMe版本的EXOS X18机械硬盘 / 希捷

 
该机械硬盘的SoC原生支持NVMe，同时集成了三模（SAS、SATA和NVMe）收发器，和希捷已经在SSD SoC上验证过的硬件IP和固件。希捷与合作伙伴一起为其打造了一个2U 12盘位的JBOD（磁盘簇）设备，同时用到了PCIe交换器来提供硬盘之间的互联。
 
希捷计划在今年9月给主要的客户送去单端口NVMe HDD的工程样品，而双端口的客户样品单元的话则要在2024年中才会面世。很明显，NMVe HDD真正能够进入市场的时机还是待定的，但与此同时，相关规范的开发工作仍在有条不紊地进行着。
 
根据NVM Express联盟的说法，OCP NVMe HDD的规范从2020年中开始编写，目前仍是0.5版本，预计今年年底1.0版本的规范就会推出。在规范中，对这类新设备提出了一系列的要求，比如供电、连接器、端口数和特性等等。比如3.5英寸的大小（SFF-8301或SFF-8323），12V+5V供电、单端口或双端口，基于PCIe 3.0的低成本设备可以用SATA或SAS3的连接器，基于PCIe 4.0的高速设备则需要用到SAS4连接器。
 
至于设备特性，OCP的NVMe HDD将遵循数据中心SSD的一些要求，比如安全特性等等，但也会对NVMe HDD的部分要求细节进行一些微调。比如同为NVMe 2.0下的设备，主机要能够分辨该存储器是固态硬盘还是机械硬盘。
 
当然了，为了能够做到NVMe HDD能够像PCIe的HDD一样，可以拥有灵活的拓扑结构，方便做好存储设备管理，无论是直接连接还是磁盘簇，NVM Express联盟也提出了需要一个NVMe或PCIe链路层，并加入一些电源管理组件，就像希捷去年给出的方案一样。
 
成本，还是成本
 
从价格对比上，我们也能看出NVMe的固态硬盘明显要比基于SATA的固态硬盘贵上一截，那么这样的情况会不会出现在NVMe上呢？为了推进NVMe HDD得到普及，控制成本自然也被考虑到了。
 
在上面的规范中，我们也看到了对SATA、SAS连接器的支持，这样一来就并不会影响制造流程，因为一旦改变制造流程的话，这种新设备要想普及起来必然会被成本制约。根据NVM Express联盟的说法，单个硬盘的直接连接成本上，NVMe HDD和SATA HDD的TCO（总拥有成本）是几乎一致的。
 
如果是企业服务器或数据中心这样需要多个硬盘的环境中，NVMe HDD甚至可以起到改善TCO的作用。传统的服务器环境需要一个SAS控制器和一个SAS扩展器才能做好软件上的支持，而NVMe HDD的话，直接调用Linux或Windows中的原生驱动即可。

SATA/SAS HDD与NVMe HDD的JBOD方案对比 / NVM Express联盟

 
至于将多个磁盘组合在一起的磁盘簇方案，则不再需要SAS控制器和多个SAS扩展器，只需要一个PCIe Retimer和PCIe交换器。所以总体来看，或许对于消费端而言，NVMe HDD目前在成本差异上不大，但对于数据中心和企业方案来说，绝对是一套降本增效的方案。
 
写在最后
 
如果NVMe HDD最终能成为大家预想中的那样，在成本和容量的选择上做到完美的平衡，成为一个降低TCO的首选方案。至于性能的提升，在尺寸维持不变的情况下，最好的方法还是通过多传动器技术来突破I/O限制，比如希捷MACH.2这样双磁臂方案，不然的话，NVMe HDD甚至没有支持PCIe 4.0的必要，可以继续沿用PCIe 3.0的低成本方案。