适用于下一代存储设备的高级NVMe控制器技术:“ OpenExpress”免费提供给世界研究机构使用

KAIST的研究人员为下一代存储设备提供了先进的非易失性存储器Express(NVMe)控制器技术,并使这种名为“ OpenExpress”的新存储技术免费提供给世界各地的所有大学和研究机构,以帮助降低相关领域的研究成本。

适用于下一代存储设备的高级NVMe控制器技术---OpenExpress的原型板和平面图

OpenExpress的原型板和平面图

NVMe是一种基于外围组件互连表达(PCI-E)接口的高性能存储设备通信协议。NVMe已被开发来代替串行AT附件(SATA)协议,该协议被开发用于处理硬盘驱动器(HDD)上的数据,但在固态驱动器(SSD)中性能不佳。

与使用磁性旋转磁盘的HDD不同,SSD使用半导体存储器,可以快速读取和写入数据。SSD还产生更少的热量和噪音,并且更加紧凑和轻巧。

由于使用NVMe的SSD中的数据处理速度比使用SATA快六倍,因此NVMe已成为超高速和大容量数据处理的标准协议,目前已在许多基于闪存的信息存储设备中使用。

关于NVMe的研究在学术和行业层面上都在继续,但是,可访问性差是一个缺点。全球主要的信息和通信技术(ICT)公司花费巨额成本来购买与使用NVMe所需的硬件NVMe控制器相关的知识产权(IP)。但是,这种IP没有公开披露,因此很难被大学和研究机构用于研究目的。

尽管少数美国硅谷初创公司提供部分自主开发的IP进行研究,但使用成本约为每月34,000美元。成本飞涨,因为购买的用于IP修改的一次性使用源代码的每个副本的成本约为84,000美元。

为了解决这些问题,由KAIST电气工程学院的Myoungsoo Jung教授领导的一组研究人员开发了下一代NVMe控制器技术,该技术以完全硬件自动化的形式实现了SSD的并行数据输入/输出处理。

研究人员在7月的2020 USENIX年度技术会议(USENIX ATC ’20)上介绍了他们的工作,并将其作为名为“ OpenExpress”的开放研究框架发布了。

由Jung教授团队开发的NVMe控制器技术包括广泛的基本硬件IP和关键的NVMe IP内核。为了检查其实际性能,该团队使用OpenExpress制作了NVMe硬件控制器原型,并设计了OpenExpress提供的所有逻辑以使其在高频下运行。

使用OpenExpress开发的现场可编程门阵列(FPGA)存储卡原型展示出每秒增加的输入/输出数据处理能力,支持高达每秒7吉比特(GB / s)的带宽。这使其适用于超高速和大容量的下一代存储设备研究。

在一项比较设备上各种存储服务器负载的测试中,该团队的FPGA还显示出与英特尔新型高性能SSD(​​Optane SSD)相比,带宽提高了76%,输入/输出延迟降低了68%,这足以让许多研究人员研究采用于未来存储设备。根据用户需求,也可以合成硅器件,这有望进一步提高性能。

荣格教授团队的NVMe控制器技术可以根据OpenExpress开源最终用户协议自由使用和修改,以供所有大学和研究机构用于非商业用途。这对于研究与下一代内存兼容的NVMe控制器和软件堆栈非常有用。

郑教授说:“随着这项研究的成果向全世界公开,大学和研究机构现在可以免费使用以前仅适用于世界上大公司的控制器了”他继续强调。这是研究诸如高速和大容量下一代存储器之类的信息存储设备系统中有意义一步。”

有关该研究的更多详细信息,请参见http://camelab.org

OpenExpress的关键硬件IP内核

OpenExpress的关键硬件IP内核

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