开源NVMe控制器技术可以帮助学者开发存储设备

在7月举行的2020 USENIX年度技术会议(USENIX ATC)上，韩国科学技术研究院(KAIST)的电气工程师宣布一种新的可免费获得的NVMe控制器技术叫OpenExpress。

OpenExpress的主要硬件IP核。图片由韩国科学技术学院的Myoungsoo Jung教授

他们说，这项技术有可能帮助学术研究人员开发更快的存储设备，而不会耗尽他们的预算。韩国科学技术研究院的团队解释说，这项技术为研究人员提供了开发NVMe设备的开源硬件框架。

非易失性内存快车(NVMe)

NVMe作为一种快速I/O通信接口被广泛应用于一系列存储和非易失性内存子系统。

它是为高性能存储设备设计的基于PCI-E (peripheral component interconnect-express)接口，用以替代SATA (Serial AT Attachment)协议。SATA是为了在硬盘驱动器(hdd)上处理数据而开发的，在固态驱动器(ssd)上的性能不够好。

CPU与ssd盘的pcie接口。图片由西部数据公司

与使用SATA相比，ssd中的数据处理速度快了近6倍，NVMe迅速成为超高速和批量数据处理的首选协议。它还用于各种基于闪存的信息存储设备。

学术界NVMe控制器的短缺

行业利用它来保护他们自己的高速NVMe控制器的知识产权(IP)，并探索使用NVMe存储卡的软件堆栈挑战。然而，对于学术界来说，NVMe控制器ip并没有得到广泛使用，这或许可以理解，因为科技公司急于保护它。

商业NVMe控制器的示例—在本例中，是Microchip的16通道第4代PCIe Flash控制器。图片由微芯片

尽管研究团体强烈要求使用开源硬件框架来为NVMe设备构建新的控制器，但这种情况仍然存在。虽然也有少数公司提供这种服务，但它的价格很高，很容易就能达到每月六位数。

面向大学的开源NVMe控制器技术

为了解决这个问题，韩国科学技术学院的研究团队开发了一种NVMe控制器技术，以硬件自动化的形式为ssd实现并行数据处理。

该控制器由一系列基本硬件IP和关键NVMe IP核组成。为了证明其性能，该团队使用OpenExpress (OE)构建了一个NVMe硬件控制器原型，并设计了OE提供的所有逻辑，以便在高频率下运行。

一个原型板和OpenExpress的平面图的新技术。图片由韩国科学技术学院的Myoungsoo Jung教授

使用OE开发的现场可编程门阵列(FPGA)显示增加了I/O数据处理能力，支持高达7gbps带宽。研究人员称，与英特尔的新Optane SSD相比，FPGA的带宽提高了76%，I/O延迟降低了68%。

与英特尔的Optane SSD相比，OpenExpress构建的FPGA的指标。图片由韩国科学技术学院的Myoungsoo Jung教授

从理论上讲，这使得它适合研究超高速和体积存储设备。

根据OE开源最终用户协议，所有大学和研究机构都可以自由使用和修改NVMe控制器，用于非商业用途。这使得它对于研究与NVMe控制器兼容的下一代内存设备非常有用。