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眼见为实:华为十大发明,OceanStor全闪存打造业界最薄SSD和高密存储

当华为工程师们亲手打造最高性能OceanStor全闪存,他们并没有因此停止前进的脚步,他们将目标瞄准了下一座让业界各个存储友商都难以攀登的高峰:如何有效提升单位空间的容量?

重新出发,目标峰顶

随着数据爆发式的增长,客户需要不断扩展自己的存储空间,从而导致更多的机柜空间及机房空间占用,以及运营成本上升。如何更有效利用单位空间已然成为各个客户关注的重点。解决这一诉求的方案有两个:

  1. 保持盘数不变,不断增加单盘容量。
  2. 增加单位空间内的盘数。

第一种方案最好实现,通过单盘的容量增加来使得单位空间的容量增加,但是单盘容量增加必然会面临几个问题,首先,单盘容量并不能一直持续增加,当到达一定容量时,必然会面临单盘容量的极限,其次,单盘容量的增加会带来巨量数据存储在单一盘上,导致重构时长等问题。因此,增加盘数才是从根本上提升单位空间容量的最灵活方案。

存储业界2U空间外置硬盘盘数从12盘位提升到24盘位,再到当前的25盘位后,再也没有出现盘数增长,25盘似乎已经是2U容纳的极限了,华为工程师们有办法让目前市场上的这个极限值再往前迈出一步么?

在路上

首先,华为工程师们对企业级SSD传统形态和标准深入研究,并对主流SSD盘都做了优缺点分析,综合考虑接口、可维护性、形态、兼容性等多种因素,设计出了一款业界最薄的SSD盘—PALM规格NVMe SSD!

图一 PALM SSD

传统2.5寸SSD厚度为15毫米,而PALM SSD盘的厚度仅为9.5毫米,单块盘相比于传统2.5寸SSD节省空间33%,这使得在单位空间内提供更高的盘位数成为了可能。

风雪袭来,路途坎坷

接下来就是要考虑机框如何适配容纳更多的硬盘了。下图为上一代2U 25盘位硬盘框内与SSD盘相连的竖直背板正面图。可以看到竖直背板正面平均排列有25个硬盘连接器,用于硬盘插入的接口连接到背板上。连接器之间的背板开窗口是为了方便空气走风,对硬盘和机框散热。硬盘连接器之间的距离为12mm,恰好适配2.5寸25块硬盘的布局。

图二 背板开窗图

图三 竖直背板的空气流向示意图

若要容纳更多硬盘,则要求缩短硬盘连接器之间的间隔(12mm),从而导致背板开窗率小于10%,不满足15%的基本风道要求,散热无法得到保障。

另外,12mm已经是当前业界的最低间隔,只能放下宽度最小的高速背板连接器,如低于这个间隔,则背板两面的连接器布局无法避免干涉。如下图所示,连接器分别位于竖直背板两侧,连接器的针脚都需要嵌入到背板中以作固定,竖直背板两侧的连接器需要避免在同一位置上导致干涉,也就是说,硬盘连接器和主板连接器的针脚不能打入背板的同一位置上。如果硬盘连接器间隔再缩小,竖直背板另外一侧的连接器已经无法与硬盘连接器错开位置了。

图四 竖直背板的俯视图

显然当前主流竖直背板的设计已不能满足其要求,只能另外开辟新的方案。华为工程师们经过不断的思考,创新地提出了用华为专利的水平背板(专利号201880003845.2、201310046147.X、201811474416.1)来代替竖直背板的方案,使用新型连接器和竖直的PALM规格NVMe SSD盘实现正交连接,完美解决竖直背板两侧连接器干涉和散热问题。

图五 正交架构图

背板水平放置之后,水平背板前端可以放置高密的新型连接器,水平背板后端巨大的空余空间,可以随意布置主板连接器,不存在像竖直背板那样针脚打入同一位置带来的双面干涉!

图六 水平背板俯视图

那么,开窗率小的问题是否能够解决呢?散热能否超过竖直背板方案呢?采用新一代硬盘框配备水平背板,背板开孔率从竖直背板的14%增加到35%,通风面积相比传统竖直背板方案提升50%!

图七 水平背板开窗图

图八 水平背板空气流向示意图

创新的水平背板设计为高密度盘位的配置带来更大的散热能力,从散热对比图可以看出,传统2.5寸硬盘满负荷工作时,单盘大部分区域温度集中在61-75摄氏度之间,而PALM NVMe SSD满负荷工作时,单盘大部分区域温度集中在54-61摄氏度,散热能力提升25%!

传统2.5寸SSD盘

 PALM NVMe SSD

图九 传统2.5寸盘与PALM NVMe SSD散热对比图

拨开云雾,终见峰顶

成功的道路布满荆棘,在设计过程中发现,实现水平背板方案毕竟突破两个技术瓶颈,第一是水平背板固定会带来一定的装配误差,第二是PCB板厚度存在一定的公差,两者相叠加会导致SSD盘的插槽无法对准新型连接器。该怎么解决这个问题呢?

经过长时间的讨论和尝试,华为工程师们给出了竖直固定及微变形方案,(专利号201880003845.2、201310046147.X、201811474416.1

  1. 首先,通过PCB板的TOP面定位,自下而上紧固技术,消除了以往从上而下固定形态带来的累积公差,实现了PCB板基准重合,定位精度比以往提高了0.3mm。

图十 竖直固定图

  • 其次,通过PCB板单侧固定,另一侧可自行浮动调整,同时在PCB板的相邻新型连接器中间开槽,进一步消除二个连接器之间的内应力,实现新型连接器可以上下浮动1mm,可以灵活调整新型连接器位置,实现PALM盘接口与新型连接器的可靠对插。

图十一 槽位微变形示意图

至此,最后一个困难点也被华为工程师们攻下。

站在峰顶,独览众山小

华为于新一代OceanStor全闪存存储系推出了领先于业界最薄的PALM NVMe SSD和业界最高密度的36盘位硬盘框,实现单位空间内硬盘数量提升44%!华为工程师们匠心打造的PALM盘和PALM硬盘框以其超薄的厚度,超高的盘密度以及超强的散热独立于存储业界山顶。

图十二 36盘位PALM硬盘框图

PALM盘和PALM硬盘框设计方案一亮相,便在多个标准组织(国际SNIA,国内ODCC等)上受到单盘、系统厂商的广泛关注与支持,多个标准组织已经基于该创新方案立项,推动该创新方案成为新的标准。

写在最后

十年磨一剑,华为全新一代OceanStor全闪存存储用独具匠心的架构设计与硬件设计引领了存储领域新的发展方向,将树立全闪存的新标杆。

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