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EDSFF硬件外形尺寸及标准

时间:2023-12-08   访问量:1158

  随着近几年EDSFF形态在服务器容量上的快速增长,EDSFF凭借在容量、可扩展性、性能、可维护性、可管理性、散热和电源管理方面的优势,EDSFF将重新定义服务器的下一代固态硬盘外形规格。

EDSFF概述

目前EDSFF有以下三种解释:Enterprise and Data Center Standard Form Factor-企业和数据中心标准外形尺寸(标准);Enterprise & Data Center SSD Form Factor-企业和数据中心固态硬盘外形尺寸(SSD);Enterprise and Data-center Scalable Form Factor-企业和数据中心可扩展外形尺寸(可扩展),内涵稍有不同。现在由SNIA作为SFF技术附属技术工作组(SFF TA TWG)的一部分进行维护。

EDSFF提供了一系列企业和数据中心固态硬盘外形尺寸标准,以最大程度适配1U/2U服务器,概览如下:

 

 

图1

对于SSD外形尺寸(Form Factor)标准演化,从硬件角度,可以从以下4个维度来理解标准考虑的一些关键要素:

硬件接口——标准的物理硬件接口定义,除了满足电气性能要求外,相同的金手指保证了接插件、连接器、线缆等的标准化、归一化,其通用性极大的满足兼容性及扩展性设计需求,同时提升了供应链安全;

物理大小——PCB尺寸大小可以最大程度适配1U/2U等服务器,充分提高了存储空间的利用率,更好的匹配大容量高密度的需求;

散热能力——不同的厚度选择及配套的散热设计,充分满足系统级低成本的散热解决方案,以预期的风流量满足散热需求;

可维护性——支持热拔插,提供状态指示灯,进一步简化安装和方便维护及备件更换等。

 

EDSFF分为E1和E3两大系列,每个系列又都分为Long和Short两个版本,即E1(E1.L、E1.S)与E3(E3.L、E3.S),并按照不同的厚度和散热配置划分出不同型号:在20W、25W基础上提供40W和70W等版本;PCIe Lane数量也在x4的基础上增加了x8和x16(E3宽度可以满足,E1最大x8),满足企业级SSD更高的读写性能。

EDSFF——硬件接口标准化

SFF-TA-1002连接器标准定义了一种多通道卡边缘连接器,指定了四种高密度连接器尺寸:1C、2C、4C和4C+。1C连接器作为所有其他尺寸的通用基础,1C支持高达80W的12V主电源和3.3 Vaux电源,一组边带和管理引脚,以及多达8个高速差分对。2C建立在1C的基础上,并提供多达16个高速差分对。同样,4C建立在2C的基础上,并提供多达16个额外的高速差分对。

 

图2

SFF-TA-1002定义的尺寸适合PCIe x4、x8和x16,并且由于卡边缘连接器中的凹口设计,较长的卡可以插在较窄的卡槽中。该连接器通过NRZ编码(不归零编码)为至少56 GT /s的数据速率提供足够的信号完整性,因此它比现有的大多数PCIe信号连接器标准实现更具有前瞻性。

 

 

图3

 

E1、E3使用了相同的金手指,拥有更高信号质量的同时,兼容性也能得到保障。新的服务器背板连接器尺寸更小,可达到简化服务器内部设计、优化风道、增强服务器散热气流的目的。为了最大限度地提高互操作性,EDSFF系列SSD外形尺寸共享一个通用的连接器标准。

 

EDSFF——M.2形态到E1外形尺寸的演进

M.2主要是为笔记本电脑使用,3.3V电源供电的情况下,最大功率会受到限制,功耗达到8-12W通常都需要散热器。M.2的外形规格用在1U服务器上会面临很多挑战:

首先在散热方面,PCIe固态硬盘需要很大的散热器;其次不支持热插拔,因为连接器并不是为热插拔设计的,另外难以对固定安装的硬盘进行维护;再次,针对1U机架(1U=4.445厘米,M2宽2.2厘米)的空间利用率也不太理想。

 

图4

E1.S形态在数据中心1U服务器的使用上体现出巨大的优势:

空间利用率:E1.S更宽(1U=4.445厘米,E1.S宽3.375厘米),PCB布局上可以满足两行NAND闪存,能够在PCB上为NAND闪存提供更多的空间,以轻松实现更高容量的SSD;

12V电源供电:相对3.3V供电,相同的通流量,可以满足更高的功率水平;

可维护性方面:引入包含 LED 运行状态指示灯在内的热插拔设计,使之能够在不切断系统电源的情况下识别故障和更换;

散热方面:其定义了不同的厚度选项,允许套上不同的散热片,更容易冷却,有助于维持最佳性能。

 

对不同功率的需求,E1.S采用了不同的标准外壳和散热器尺寸:对于20W以下的卡,可以使用9.5mm厚度的对称外壳/散热片;对于更高功率的应用,则设计了一个不对称的散热器,厚度达到25mm,并允许25W。9.5mm的对称外壳对于大多数SSD用例来说是足够的;25mm非对称外壳+散热器更适合于非固态硬盘设备;对于更注重高性能的应用场景,15mm和25mm厚度的E1.S是更为理想的选择。

 

图5

EDSFF——U.2形态到E3外形尺寸的演进

U.2 2.5英寸盘是部署在企业和数据中心的企业级NVMe SSD主要产品形态,可以与原有机械硬盘混合使用,兼容性强、灵活度高。采用相同的外形设计和SFF-8639连接器,可同时兼容SAS、SATA和PCIe。定义于SFF-8201,长度为101.85mm (max),宽度为69.85mm,厚度有不同规格(5mm到19.05mm不等)。常用的笔记本硬盘是7mm厚度,企业级硬盘是15mm。

 

 

图6:图片来自网络

 

从上图SFF-8639接口看,红色标识的为PCIe,能使用4个通道,但限制了更高带宽和性能的提升空间。另外企业级厚度为15mm,相对E3.S薄盘7.5mm限制了密度的提升。

E3的高度允许SSD使用x4、x8甚至x16的PCIe接口,可实现的带宽和可配置的运行功率更高。E3.S和E3.L分为“1T”和“2T”厚度版本(T代表Thickness,1T:厚度7.5mm,2T:厚度16.8mm),共4款。其中,E3.L 2T甚至可以实现70W的全功率运行,支持SSD达到更高更强的性能。

E3.S是E3中尺寸比较接近U.2 2.5英寸盘的版本,二者可以共享一个机箱,实现不同类型硬盘的混合部署。E3设备的连接器尺寸最小的1C型号是23.88mm宽,与M.2连接器大小相同;支持PCIe x16链路的4C型号为57.02mm,比U.2的SFF-8639明显小了许多,背板可以做得更小,降低散热的流阻,更好的散热能使E3.S/2T支持到40W,从而适配PCIe Gen5和未来Gen6的性能。另外,一些服务器厂商也在探索基于E3的新型设备,如GPU、FPGA、NIC等,在存储之外EDSFF E3也将为企业级应用带来更多可能。

 

图7

 

在服务器中的应用场景

EDSFF是专为企业和数据中心而制定的硬盘外形尺寸设计规范,可以在1U服务器上实现PB级的存储能力,更可以在2U服务器上获得更加极致的存储性能。(1U=4.445厘米,2U=4.445*2=8.89厘米)。

 

 

图8:图片来自网络

 

EDSFF标准是面向企业和数据中心针对NAND Flash特点来优化的,逐步摆脱机械硬盘HDD的尺寸影响,可提供更灵活、扩展性更强的存储方案,成为数据中心SSD标准的演变趋势。

 

 

图9

 

E1.S规格相较于M.2规范,拥有更高的存储密度,因为容纳两排NAND颗粒,满足高容量超大规模服务器的存储方案,另外比E1.L外形更短一些,针对1U服务器可提供更高效散热设计。

 

E1.S让SSD的体积得到大幅缩减,在1U服务器中,可容纳多达32个9.5mm的E1.S硬盘,这比使用15mm的U.2固态硬盘解决方案的密度提高了3倍多。而15mm的E1.S硬盘,与传统的2.5英寸固态硬盘厚度相同,在1U服务器中可以容纳24个,15mm的E1.S硬盘可将额外的空间用于散热,并允许使用25W的设备。其小巧的尺寸还允许服务器厂商在保留一定数量的前面板E1.S接口同时,还可提供一定数量的PCIe/OCP NIC插槽,或者与E3、U.2 SSD混合部署,非常灵活。

E1.L虽然可以容纳更多FLASH,但因为过长不利于高速信号布线,需要服务器同步更改配合;E1.L硬盘的弹性变大,一旦弯折容易造成PCB损伤,硬件可靠性变低;E1.L目的是为1U服务器提供大容量盘的解决方案。

 

E3.S规格可以在2U服务器中垂直安装或在1U服务器中水平安装,拥有7.5mm和16.8mm两种厚度。在传统2U服务器中,前置U.2 SSD数量最多24个,换成E3.S/2T之后可以放23个(2T厚度为16.8mm,U.2厚度15mm,所以数量上少一个);而E3.S/1T则最多可以做到46个热插拔位,密度优势相当明显。

 

E3.S在1U机箱中需要横过来放,16.8mm的厚盘可以放10个(与U.2数量相同),7.5mm薄盘则可以放20个,比U.2多一倍。

 

总结

EDSFF的外形尺寸都共享相同的协议(NVMe)、相同的接口(PCIe)、相同的边缘连接器(SFF-TA-1002)、相同的引脚排列和功能(SFF-TA-1009)。选择部分主流外形尺寸标准及应用情况对比如下图所示:

 

 

图10

 

到PCIe5.0后,U.2和M.2可支持的带宽和性能以及电气特性上已经很难达到要求了,切换到E1.S和E3.S是必然趋势。

 

E1.S是EDSFF标准演进中的明星选择,它以宽度换长度,共享相同的PCB;为足够满足PCIe Gen5及以上的固态硬盘散热能力,9.5mm、15mm会成为主流选择。

E3.S形态与U.2形态接近,传统的服务器结构更容易兼容设计,可自然过渡到E3形态。E3的额外高度可使用x8、x16的连接器,能提供更多的通道从而支持更大的带宽。2U可以容纳更多的E3.S/1T薄盘数量,密度可以进一步提升。厚盘可以满足更大功耗的要求。

(PS:以上资料来源于网络,仅用于学习,查阅等非商业用途)

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