解析如何极限发挥自研SSD主控DPU600的能力，满足超大容量固态硬盘需求

时间： 2021-05-27 来源：大普微电子

技术问答

DPU600是深圳大普微电子科技有限公司（DapuStor）业内首创的智能存储SoC，基于最新的12nm FinFET工艺，可作为SSD主控提供业界领先的性能，还集成了可计算存储平台，用于ASIC加速的机器学习架构等。

超大容量SSD的设计探讨

随着固态硬盘（SSD）的普及，对固态硬盘的容量需求越来越大，单盘容量受限于其主控所支持的闪存（NAND Flash）数量。当有对单盘超大容量需求时，现有技术往往是在主控的闪存接口进行串行连接，如外加译码器和连接装置，实现容量上的扩展。这种串行连接仅仅是闪存容量上的扩展，其最大的问题是闪存接口带宽无法扩展，即受限于其主控闪存接口总带宽。同时，串行连接导致闪存接口负载增加，从而导致其速率无法满足高速信号的要求。

如图1，可以发现其系统硬件架构：在原有闪存通道（CH0~n）上，每个通道（CHx）上添加连接装置。该装置一般用译码器作为控制器可以实现通道（CH0_x）扩展，同时可以再次连接下一级连接装置，从而再次实现通道扩展（CH0_0_x）。

另外一种现有技术，就是对整个固态硬盘之间进行简单连接，比如通过RAID卡或者类似RAID卡的功能集成到主控芯片内进行连接。这种连接方式需要额外的RAID卡，或者其固件设计是没有统一管理，是各自管理其存储映射。

图1

有瓶颈就必有团队进行新的方案研究开发。没错，Dapustor正在探索在DPU600上实现一种级联的固态硬盘（SSD）。

图2

先看一下，我们的设计基于如图2，相对于图1，其思路是：基于具有互联功能的主控芯片，该主控芯片具有一个连接模块，用于主控之间的连接通信。通过多个主控芯片来扩展闪存颗粒的数量，从而增加总体容量。显然这种结构，后端闪存的带宽大大扩展了，而且没有带来信号负载问题。

从硬件设计角度看，多个主控进行连接，其中仅主-主控（MC）连接动态存储器（DDR），闪存阵列和主机接口，而其他从-主控（SC）不会连接动态随机存储器（DDR），仅连接闪存阵列。

为何如此设计？

1.由于DPU600具有级联通信（PCIe/DPU-LINK）接口，其中DPU-LINK技术，具有传输延时低特点，可以满足数据通路要求。

2. 仅主-主控配备DDR，减轻了PCB设计负担，同时也能减轻一定的成本。

（有读者疑问，主控的成本，难道比“译码器连接器”便宜？事实上，高速的译码连接器还真是贵，且往往是独家供应。）

从固件设计角度看，大体逻辑模块，仍然和普通的固态硬盘基本一致：前端模块（FE），数据处理模块（DataProcess），算法模块（FTL），后端模块（BE）。

图3

结合图2所述的系统硬件框架，Dapustor正在探索其所对应的系统固件，如图3：主-主控（MC）的固件（FW）包含前端模块（FE），数据处理模块（DataProcess），算法模块（FTL），后端模块（BE）和通路模块（LP，LinkPath）。其他从-主控（SC）的固件（FW）仅需要后端模块（BE）和通路模块（LP），这样其他从主控无需动态存储器（DDR）。

其中：

■ 前端模块（FE）负责主机通信协议栈，命令数据分发处理。

■ 数据处理模块（DP）负责数据通路的处理，如写缓存的管理。

■ 算法模块（FTL）负责映射表的管理，写入闪存数据颗粒度的管理等。

■ 后端模块（BE）负责闪存数据读写和相关闪存命令的管理。

■ 通路模块（LP）负责对应上下级芯片之间数据收发管理。

这种固件方案，使模块化方式非常简单明了：后端模块（BE）是一样的，其从-主控（SC）的固件（FW）是一样的，具有可复用性，减少开发周期。

从图3可见，对于固态硬盘的固件而言，如何管理IO是关键。特别是在引入多个主控之后，固件需要管理IO写到或者读取来自哪个主控的闪存（NAND Flash）。考虑一种简明的映射方法，算法模块（FTL）只有在主-主控存在，采用统一编址的方法，对所有闪存（即包括从主控连接的闪存）进行编址，其特征是增加CHIPID作为主控识别码作为映射管理的内容之一。

参考下图4，LBA到LMA再到PMA是典型的SSD地址映射管理方法：LBA是主机域的逻辑地址（Logic block Address），LMA是SSD固件算法的逻辑映射地址（Logic Mapping Address），PMA是指向闪存颗粒具体Page的地址（Physical Mapping Address）。

通过这种方法，可实现不同主控所有连接的闪存颗粒的地址映射管理，及全局统一逻辑地址到硬件物理地址的映射关系。通过统一地址映射管理，可以实现所有闪存颗粒进行磨损均衡化管理。

图4

如图5，是DPU600内部相关模块构成。

图5

根据模块框图，这里把关键模块进行说明一下：

■ PCIe Controller/PHY和NVMe Controller，应用于前端模块（FE）和主机通信协议栈，命令数据收发的硬件处理。

■ NAND Flash Controller/PHY（FLC），应用于后端模块（BE）闪存数据读写和相关闪存命令的硬件处理；

■ DDR Controller/PHY外连DRAM设备，应用于数据缓存。

■ CPU系统，用于运行固件；

■ System Buffer Management（SBM），用于内部Buffer管理。

■ DPU-LINK，是基于PCIe特性的硬件Buffer传输管理模块，用于优化PCIe数据传输管理，减少数据传输延时。

■ LSTM，是基于神经网络算法的计算模块，可以用于预测IO趋势，优化SSD性能。

DPU-LINK技术就像杂技中的抛球表演一样，那是抛的又快又准。正是由于DPU-LINK这种特性，如图6，当读取从-主控所对应的NAND Flash的数据时，可以直通车：从NAND经过FLC（NAND Flash控制器）到内部SRAM Buffer，由DPU-LINK直接转给前端的NVME端口后写入到主机内存，故而其Latency是可控的。

图6

小结：在主控后端连接颗粒数量受限时，对于超大容量的固态硬盘方案，无论成本和性能上，上述方案不失为一种优选方案。

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全部评论（1）

terrydl Lv9. 科学家 2021-12-31

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