Отличия U.2 и U.3: эволюция форм-фактора NVMe для серверов и дата-центров

Введение

Настало время поговорить о теме, которая уже ни один год вызывает массу вопросов как у наших клиентов, так и даже у наших консультантов — отличия стандартов/форм-факторов U.2 и U.3 NVMe-накопителей. Казалось бы, два родственных друг другу 2.5-дюймовых форм-фактора, эволюция одной и той же технологии, никаких визуальных отличий в разъемах на бэкплеине, но путаница вокруг U.2 и U.3 разрослась просто до невероятных масштабов. Многие до сих пор думают, что U.3 является лишь минорным обновлением U.2, добавляющим поддержку PCIe 4.0 или 5.0, но на деле суть U.3 лежит совершенно в иной плоскости — упрощении SAS/SATA/NVMe подключений в одной корзине за счет новой логики, но не в самом диске U.3, а в его экосистеме, в которую входят разъемы, бэкплеины и контроллеры. В этой статье специалисты компании ServerFlow расскажут вам, в чем заключаются ключевые отличия между стандартами U.2 и U.3, объясним преимущества и недостатки этих технологий, а также поможем избежать возможных подводных камней при выборе накопителя.

Что такое U.2?

U.2 — это одновременно и форм-фактор NVMe SSD-накопителей, разработанный в 2015 году, и сам стандарт подключения U.2-дисков в бэкплеин, который был впервые утвержден в 2011 году и назывался SFF-8639. Интерфейс SFF-8639 был разработан комитетом SFF Committee (Small Form Factor Committee) и, по сути, является прямым потомком спецификации SFF-8482 для подключения SAS-накопителей, и разницы между ними нет даже в визуальном плане. Единственное, но ключевое отличие SFF-8482 от SFF-8639 — у первого было всего 36 контактов (либо 29 в SATA) из которых 15-pin выделялись на питание и 14-pin (либо 7-pin в SATA) на передачу данных, а у второго было уже 68 контактов, из которых 12-pin выделялось на питание, а 56-pin на данные, SAS/SATA, PCIe x4 и sideband-сигналы.

Такой качественный скачок в количестве пинов позволил сохранить совместимость с SAS/SATA-накопителями через оставшиеся контакты SFF-8482, при этом обеспечив возможность подключения в PCIe. А также научив разъем принимать сигналы от диска, что сделало бэкплеины на базе SFF-8639 более интеллектуальными, но не до конца. Почему не до конца — расскажем ниже.

Диски и экосистема U.2 стали ответом индустрии на потребность в высокопроизводительных NVMe-накопителях для серверов и рабочих станций. Диски сохранили компактный 2.5-дюймовый форм-фактор, который использовался в SAS/SATA-накопителях, но обеспечили более высокие скорости, чем предшественники. До появления U.2-дисков NVMe-накопители существовали преимущественно в виде плат расширения (HHHL, Add-in Card), но они были лишены возможности горячей замены, что ограничивало их использование в инфраструктуре ЦОД. U.2 решил эту проблему, дав индустрии гибкие накопители, которые обеспечивают большие скорости для задач аналитики, виртуализации и обработки больших данных — и с этими сложностями индустрия столкнулась еще до эпохи искусственного интеллекта.

Рассмотрим разновидности интерфейсов, которые поддерживаются стандартом U.2:

• PCIe x4 (NVMe) — основной и самый распространенный сценарий. Поддерживается не только PCIe 3.0, но и современные PCIe 4.0 и 5.0, а в будущем вполне могут появиться решения для PCIe 6.0.
• SATA и SAS — в U.2-бэкплеин с разъемами SFF-8639 можно интегрировать и SAS/SATA-диски. Существуют так называемые гибридные бэкплеины (например, Supermicro BPN-SAS3-826EL1-N4), в которые можно одновременно интегрировать как SAS/SATA, так и NVMe-диски. Но гибридные бэкплеины не имеют интеллектуальной логики, поэтому тип диска определяется не автоматически, а кабелями — отдельное подключение к SAS-контроллеру, отдельное подключение по PCIe-свитчу, например, в материнскую плату.

Необходимость в отдельных подключениях для разных типов накопителей — главный недостаток стандарта U.2. Да, U.2-диски дали большую скорость и при сохранении функции hot-swap, но они требовали обновления до дорогостоящих (на тот момент) совместимых бэкплеинов, которые, к тому же, усложняли инфраструктуру из-за дополнительных кабелей. В рамках небольших инфраструктур это не было большой проблемой, но в масштабах крупных ЦОД это было эксплуатационно неудобно — сервер превращался в зоопарк кабелей, а всего одно неправильное подключение отключало всю систему хранения. Выход — сделать новый, еще более универсальный стандарт U.3 и одноименные диски. Он решил дилемму с разводкой кабелей, но добавил новых, чуть ли не более серьезных проблем.

Что такое U.3?

Как и в случае с U.2, его потомок U.3 является одновременно и стандартом подключения через разъемы со спецификацией SFF-TA-1001, и 2,5-дюймовым форм-фактором дисков. U.3 как форм-фактор был впервые представлен в 2018 году компанией-пионером Samsung в линейках PM1733 / PM1735, а вслед за ней технологию начали производить Micron и Kioxia. Сама спецификация SFF-TA-1001, представленная в 2017 году все тем же консорциумом, стала прямой эволюцией SFF-8639, но в этот раз изменения коснулись не количества контактов, а логики назначения пинов — они стали полностью универсальны. Теперь все контакты стандарта SFF-TA-1001 могли работать как в режиме PCIe, так и SAS или SATA, а протокол передачи данных начал определяться автоматически, хотя визуально и физически это был старый-добрый SFF-8639.

Так как же инженерам SFF Committee удалось добиться такого принципиально нового механизма подключения? В самом разъеме или диске — никак, ведь вся магия теперь окончательно перешла в бэкплеин, а если вернее, то в связку sideband-сигналов и так называемого tri-mode контроллера (HBA/RAID). Работает это так: при установке диска, он посылает сигнал бэкплеину с tri-mode контроллером (от Broadcom/Microchip), который автоматически определяет поддерживает ли диск NVMe, SAS или SATA. После получения информации контроллер коммутирует сигнальные линии к соответствующему диску, благодаря чему и NVMe, и SAS/SATA диски можно подключать всего одним кабелем, что сделало U.3-корзины более гибким решением, чем U.2-бэкплеины. U.3-диски, в свою очередь, нужны лишь для обеспечения полной совместимости с интеллектуальным функционалом U.3-бэкплеинов — они как ключ, который раскрывает весь потенциал интеллектуальных возможностей корзин нового стандарта. При этом U.2-диски могут работать с U.3-бэкплеинами, но без автоопределения типа диска, поэтому вся суть стандарта U.3 теряется. Однако из-за этого прорывного tri-mode контроллера, стоимость U.3-систем взлетела до небес. Пока U.2-диски просто подключались к материнской плате, так как RAID-контроллеры считались расточительной мерой из-за неэффективной конфигурации хранилища (16i контроллер подключает только 4 NVMe-диска против 16 SAS), для интеграции U.3-дисков уже жизненно необходимы RAID/HBA-контроллеры, стоимость которых может доходить до $1000.

Интересно, что U.3 появился внезапно, без каких-либо громких анонсов и презентаций. Во многом именно из-за этого многие юзеры просто напросто пропустили появление U.3, а немногие оставшиеся посчитали, что это лишь минорный апдейт для совместимости с новыми поколениями PCIe, потому это событие и не стоило большого внимания. Но это далеко не так.

Ключевые отличия U.2 и U.3

Давайте подведем небольшой итог, чтобы наконец-то определить четкие отличия стандартов U.2 и U.3.

Визуально и механически разъемы U.2 и U.3 (SFF-8639 и SFF-TA-1001) похожи как две капли воды, и даже количество контактов у них одинаковое — благодаря этому обеспечивается обратная совместимость по форме интерфейса и самих накопителей. Однако если у интерфейса SFF-8639 контакты жестко фиксируются под конкретный тип данных (NVMe, SAS или SATA), то в SFF-TA-1001 контакты универсальны и могут поддерживать и NVMe, и SAS, и SATA диски, без раздельного подключения, а tri-mode контроллер будет обрабатывать сигналы от дисков и динамически менять протокол. Но что будет, если подключить U.3-диски в U.2-бэкплеин, и наоборот? Сейчас объясним:

• U.2 диск в U.3 корзине: При интеграции U.2-диска в гибридный бэкплейн с разъемами SFF-TA-1001, диск будет работать в обычном режиме, а бэкплеин не будет обеспечивать интеллектуальные функции разводки дисков SAS/SATA/NVMe за счет tri-mode контроллера.
• U.3 диск в U.2 корзине: При интеграции U.3-диска в гибридный бэкплейн со спецификацией SFF-8639, при отсутствии двойного подключения система будет распознавать либо только NVMe-диск, либо только SAS/SATA-диски так как бэкплейн, представляющий из себя пассивную, сконфигурированную плату-коммутатор, нет связан с tri-mode контроллером.

При этом, некоторые OEM-шасси/корзины используют собственные направляющие, фиксаторы или посадочные рамки, которые ограничивают совместимость U.3 и U.2, чтобы не допустить использование “неподдерживаемых” дисков, хотя чисто физически они полностью совместимы.

Примеры современных накопителей

Если вы решили купить NVMe-диски, при выборе современных накопителей вы не найдете четкого ответа, какой именно форм-фактор выбрать — складывается впечатление, что ассортимент представлен как “50/50”. Давайте попытаемся найти 2,5-дюймовый диск и посмотрим, какой стандарт (U.2 или U.3) все-таки лидирует на просторах рынка:

Производитель	Модель	Форм-фактор	Интерфейс
Samsung	PM1733	U.2	PCIe 4.0 NVMe
Samsung	PM1743	U.3	PCIe 5.0 NVMe
Micron	9300 Pro	U.2	PCIe 4.0 NVMe
Micron	9400 Pro	U.3	PCIe 5.0 NVMe
Kioxia	CM6	U.3	PCIe 4.0 NVMe
Solidigm	D7-PS1010	U.2	PCIe 5.0 NVMe

Другими словами, стандарт U.2 все еще в ходу, и производители продолжают выпускать новые U.2-диски с поддержкой новых интерфейсов PCIe. В то же время, экосистема U.3 активно развивается и набирает обороты.

Выводы

Итак, какой вывод мы можем сделать из все этой котовасии? Всего один — стандарт U.2 требует отдельные подключения для NVMe-накопителей и SAS/SATA-накопителей когда они стоят в одном слоте бэкплеина, а стандарту U.3 достаточно всего одного подключения. Да, по сути, радикальных отличий или преимуществ между ними нет, и это объясняет, почему U.2 диски все еще в ходу, а U.3 не преподносят как революционный стандарт — на деле, это простая эволюция в сторону большего удобства подключения. И даже в этом случае большинство пользователей предпочитают просто использовать два кабеля под разные типы накопителей в U.2, а не переплачивать за U.3-системы с Tri-mode контроллером и возможностью подключения SAS/SATA и NVMe через один кабель. Так или иначе, окончательный выбор форм-фактора накопителя всегда остается за конечным потребителем, но если вы гонитесь за скоростями или “полной унификацией”, то особых различий между U.2 и U.3 нет, кроме цены. В то же время на рынок выходят новые форм-факторы, такие как EDSFF, отличия между которыми очевидны и не сводят с ума обывателя, а их подходы к охлаждению и плотности размещения делают их лучшим выбором для интеграции в передовые ЦОД, предъявляющие повышенные требования к накопителям данных и возможностям масштабирования, и именно они имеют все шансы стать настоящей заменой как U.2, так и U.3 дисков.