PCIe SSD飛入尋常百姓家靠什麼？
近幾年，SSD發展勢頭兇猛，消費級和企業級SSD均有顯著的增長。在2017年第四季度，已經有超過50% notebook開始採用消費級SSD。另外，還有很多國產品牌撐起了消費級SSD零售重擔。
目前消費級市場上的SSD主要有兩種，一種是SATA SSD，另外一種則是PCIe SSD。其中，SATA SSD仍然是市場主導。但是，與SATA SSD相比，PCIe SSD的性能有成倍的提升，在當下，NVMe/PCIe已成為時代的趨勢。預計在2018年，市場上採用PCIe Gen3的SSD將達到50%。
既然，PCIe SSD發展這麼好，為啥在市場上還不能普及？歸根結底，就是一個字：貴！
消費級SSD市場面對的是終端用戶，而非數據中心等企業用戶。消費級SSD潛在用戶，在換SSD之前用的都是機械硬碟HDD，換了SATA SSD之後，性能也會有明顯的提升，如非性能發燒友，何必花大價錢換PCIe SSD呢？所以，最終造成的情況就是，PCIe SSD在消費級市場只是高端旗艦電腦或者有錢人的選擇，尋常百姓只能望而卻步。
為了改善這種尷尬的局面，SSD廠家就開始動腦筋了，不是PCIe SSD成本高嘛，那好，我把DRAM顆粒去掉，做成DRAM-Less PCIe SSD. 很顯然，省掉了DRAM晶元，成本自然下降了，對PCIe SSD的普及起到積極的促進作用。
英雄所見略同！DRAM-Less PCIe SSD已經成為了眾多SSD廠商的選擇，主控廠商也相繼發布支持DRAM-Less的PCIe主控晶元，如Marvell的88NV1160，慧榮科技的SM2263XT等。
在PCIe SSD去掉DRAM之後，SSD端就少了緩存，為了減少預設DRAM所帶來的性能下降，人們又想到了Host Memory Buffer(HMB, 主機內存緩存區)。在NVMe 1.2 Spec開始引入HMB功能，不過，這個功能是optional，並不是必須的。HMB功能的作用就是在主機的DRAM內存中留出一塊緩存區專門供SSD使用，如下圖：
不過，對於HMB有幾點需要注意：
HMB功能由Host操縱，Enable或者Disable;
初始化階段，Host需要向controller提供一份"可用內存記錄表", 以告知Controller，Host哪段內存是供SSD專屬使用的；
主控負責對Host提供的那段內存進行初始化；
在關機或者RTD3或者其他要求Host重新分配內存的事件發生之前，Host需要告知Controller釋放那段專屬的內存空間；
Device允許向Host要求最小分配內存空間；
在發生意外插拔時，Controller需要確保數據沒有丟失或者損毀。
有了HMB之後，NVMe/PCIe SSD的命令處理流程也發生了變化。
下圖左是正常情況下NVMe CMD處理流程；
下圖右是DRAM-Less HMB PCIe SSD的NVMe CMD處理流程；區別就是在數據會先寫入HMB，當HMB寫滿之後，在寫入NAND flash.
理解了HMB的概念，那HMB到底對SSD有沒有好處呢？我們讓數據說話。
順序工作負載
從上圖順序讀和順序寫的性能表現來看，HMB對順序工作負載的性能影響不大，作用可以忽略。
隨機工作負載
對於隨機讀，HMB對SSD性能提升效果顯著，特別是1024GB SSD，加入HMB之後，性能提升了70%，全盤讀性能也提升了40%。
對於隨機寫，HMB對SSD性能提升的效果更加明顯，1024GB SSD的隨機寫性能直接躍升5倍之多。
通過上述實驗對比發現，HMB對順序工作負載基本沒有效果，對隨機工作負載的提升效果極大。
那麼，這裡，我們在思考一個問題：HMB的大小對隨機工作負載有影響嗎？
答案是肯定的，看下圖：
從上圖發現，當HMB的大小為1024MB時，SSD的隨機工作負載效果最佳。
HMB好是好，但能完全信任嗎？
在HMB注意事項里，我們提到"在發生意外插拔時，Controller需要確保數據沒有丟失或者損毀。" 在HMB裡面存在的內容主要有：數據，mapping table, metadata等，如果發生數據丟失或者損毀，那麼對用戶來說，肯定是不願意接受的。
為了保護HMB裡面內容，那就需要請出End-to-End數據保護這位大神了，在這裡，E2E就不再展開咯，具體參考NVMe Spec。
寫在最後
看完本篇文章，我們對標題給出的疑問"PCIe SSD飛入尋常百姓家靠什麼？"應該有解答了。那就是，需要依靠本文中提到的DRAM-Less和HMB來保證成本下降的同時，性能依然保持足夠的競爭力。
如您有任何的建議與指正，敬請在文章底部留言，感謝您不吝指教。
※NVMe SSD客戶的要求其實很簡單，就這幾個！
※SD：PCIe/NVMe不是SSD的專利，我也想要！
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