ipコアを使ったsata ストレージ・システム … design gateway page 2 アジェンダ...
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アジェンダアジェンダ
• SATA概略
– SATAストレージ概略
– SATA規格概略
• SATA-IP紹介
– SATA-IP概要
– 評価/開発環境
• SSDの動向
– HDDとの比較と動向
– SSDの課題と対策
SATASATA概略:概略: SATAとは
• HDD/SSDの標準ストレージ・インターフェイス
– 2000年に 初のSATA1.0規格、現在の 新はSATA3.0
• 従来のIDE(Parallel-ATA)から改良
– ケーブル改良(80芯46cm -> 扁平細ケーブル1m)
– 高速(PATA 大133MB/s -> SATA 大300MByte/s)
– ジャンパ設定不要(PATAはMaster/Slave設定必要)
(出典:Buffalo社Web SerialATAのここがポイント!)
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SATASATA概略:概略: SATAデバイスの特長
• 汎用
– 互換性がありデバイスの入れ替え可能
– 市販品ゆえ入手が非常に容易
• 低価格
– 3.5”HDDだと2TBが¥10,000円以下
– 2.5“SSDでは64GBが¥10,000円程度
(出典: 価格.com 2010年11月23日21:30時点)2010/12/7 Design Gateway Page 4
SATASATA概略:概略: 応用メリット
• 自社製品にストレージ機能を追加
– 製品の付加価値向上、高機能化に貢献
– 競合製品との差別化
• デバイス交換が可能
– 製品ラインナップを簡単に揃えられる(SSDorHDD/64or128G)
– 故障時も迅速に対応できる
2.5“HDD内蔵の大容量版 2.5“SSD内蔵の高速版2010/12/7 Design Gateway Page 5
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SATASATA概略:概略: レイヤ構成レイヤ構成
• PHY(物理),Link,Transport,Applicationの4レイヤ構成
– 各レイヤごとにSATA機能の役割を分割している
– 隣り合った階層とのI/Fのみ配慮し設計を簡素化
SATAの階層構造
シリアル通信
プロトコル制御
FIS(情報ブロック)の構築
ATAコマンドの実行
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SATASATA概略:概略: PHYPHYレイヤレイヤ
• MGT内蔵回路でしか実装できないPHY機能
– OOB信号(Squelchやバースト)の発生/検出
– SerdesやCDR機能でシリアルストリームの処理
– (MGTにセットするパラメータとして指定)
• 周辺ロジックで実装するPHY機能
– Link-Upに必要なOOBのシーケンス処理
– 自動速度ネゴシエーション
– GTP/GTXやPLLで必要なクロックの生成
– (HDLで機能を回路記述)
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SATASATA概要:概要: OOBOOBシーケンスシーケンス
• Link-upまでのシーケンス
COMRESET
COMINIT
(電源ON)
(電源ON)
COMWAKE
COMWAKE
d10.2 ※ALIGNp
※ALIGNp Data
Data
※速度ネゴシエーションはALIGNpの検出と応答で行う
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SATASATA概略:概略: LinkLinkレイヤレイヤ
• Primitiveコードの生成/抽出 (シリアル通信基本制御)– SOFp/EOFpで送信の開始/終了タイミングを通知
– ALIGNpでCDR再同期,Tx/Rx間クロック周波数差を吸収
– HOLDp/HOLDApでフロー制御
• 8B10エンコード/デコード– DCバランス調整,制御コード挿入/抽出(K28.3とK28.5)
• スクランブル– EMI対策としてトグル周波数の均質化のため必要
• CRC生成/チェック– データ信頼性の維持と確認
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SATASATA概略:概略: 上位レイヤ上位レイヤ
• Transportレイヤ– 送信/受信FIS(Frame Information Structure)の構築/処理
– データフロー制御
– ATAタスクレジスタ~FIS間の変換
– Applicationレイヤとは従来PATAと同等なレジスタI/F
• Applicationレイヤ– SATA/PATA実装の相違を吸収
– ATAコマンド・プロトコルの実装(Read/Write/Identify/Packetなど)
– SATA固有の電源/リセット処理
– 接続デバイスによってコマンドの挙動が異なる場合がある
→Applicationレイヤで違いを吸収する必要がある
SATA-IP紹介: DesignGateway紹介
• 会社概要
– 2001年11月設立、自社製品開発販売および設計受託
– 開発拠点はタイ王国バンコク市内(日本人2名常駐)
– 製品サポートはデザイン・ゲートウェイ日本法人で対応
• 主要自社製品
– IPコア (SATA-IP, TOE-IP, SDXC-IP等)
– FPGAコンフィグレーション・モジュール (SD-Link)
– 回路コピー保護チップ(IP-Lock)SDLink
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SATA-IP紹介: 他のIPコア紹介
• TOE-IP
– GbE対応TCP-IPアクセラレータ・コア
– 800Mbps以上のTCP送信パフォーマンス
– FA・監視カメラ・医療画像システム・NAS・iSCSIに 適
• SDXC-IP
– SD/SDHC/SDXC規格に対応
– 高い転送パフォーマンス(実測30MByte/s以上)
SATA-IP / TOE-IP / SD-IPの全てに
実機評価用の無償ビットファイルあり!
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: SATASATA--IPIPとはとは
• RocketIO(GTP/GTX)を応用しSATAチャネルを実装
• IPコアはLink層を実装 (Transport層の一部を含む)
• PHY層とTransport層はリファレンス・デザインで提供
FIS I/F
Scrambler
Descrambler
CRC
Control
TX Packet
RX Packet
SATA IP CoreHostProcessor
Virtex5LXT/SXT
GTP
OOB Control
SpeedNegotiation
TX FIFO
RX FIFO
PHY LayerLink LayerTransport Layer
IPコアはLink層を実装
PHY(物理)層はReferenceで提供
Transport層はReferenceで提供
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: 製品ラインナップ製品ラインナップ
• 対応デバイスと製品型番情報– SATA-IP001 :
• Virtex-5 LXT/Virtex-5 SXT向けSATA-IPコア
– SATA-IP002 :• Virtex-5 FXT向けSATA-IPコア(※要問い合わせ)
– SATA-IP003 : • Spartan-6 LXT向けSATA-IPコア
– SATA-IP004 : • Virtex-6 LXT/Virtex-6 SXT向けSATA-IPコア
※SATA-IP002のLinuxリファレンス(無償)にはサポートは提供されません
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: HostHostととDeviceDeviceの両対応の両対応
• 同一のコアでHostとDeviceの両方をサポート
– dev_host_n入力でHostコア/Deviceコアを切り替え
SATA Hostコアと
して機能
SATA Deviceコア
として機能
dev_host_n
= GND = VCC
SATASATA--IPIP紹介:紹介: Xilinx公認IPコア
URL = http://japan.xilinx.com/products/ipcenter/DG_SATAIP_LL.htm
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: HDDパフォーマンス
• HDDの転送能力を 大限に引き出す
– 転送ボトルネックはSATAではなくHDD内部
– 転送速度はディスクの内外周で異なる
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: SSDSSDパフォーマンスパフォーマンス
• 新のSSD(SLC)で220MB/s以上の転送レート
– 高速・大容量のストレージ・アプリに 適
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: VirtexVirtex--55評価用ビットファイル評価用ビットファイル
• ML505/506で実機動作する無償bitファイル– 指定テストパターンのライト/リード/ダンプと転送速度結果の表示
• SATA-IPのWebページからダウンロード可– URL = http://www.dgway.com/products/IP/SATA-IP-download.html
ML505/506の実機評価環境
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: SpartanSpartan--66評価用ビットファイル評価用ビットファイル
• SP605で実機動作する無償bitファイル
– 別売のアダプタ基板(AB01-PCIe2SATA)が必要
SP605の実機評価環境
SP605ボード
SATA-IISSD/HDD
miniUSBケーブルx2本
シリアル通信ソフト(Hyper Terminal等)
iMPACT
Serial
JTAG
アダプタ基板(別売品)AB01-PCIe2SATA
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: VirtexVirtex--66評価用ビットファイル評価用ビットファイル
• ML605でRAIDシステムが動作する無償bitファイル
– 別売の8ch SATAアダプタ基板が必要
ML605の実機評価環境
Hostパソコン(シリアル通信および
Bitファイル・ダウンロード用)
評価用SATA-IIデバイスx 4台 (HDD/SSD)
ML605ボード
8ch SATAアダプタ基板(別売品)
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: リファレンス・デザインリファレンス・デザイン
• ML605/SP605/ML505/ML506で実機動作
– 評価用ビットファイルのEDKプロジェクト・デザイン
– MicroBlazeのコア制御ファームが編集可能
• Transport層のHDLソースコード提供
– 購入前の評価版は1時間の動作制限あり
– 評価版は回路のISE再コンパイルは不可
• NDA締結によりエンドユーザに無償提供
SATASATA--IPIP紹介:紹介: リファレンスリファレンス・デザイン構成・デザイン構成
Multi-Port Memory Controller (MPMC)
ProcessorLocal
Bus (PLB)
Native PortInterface (NPI)
InterruptController
UART TimerPLB I/F BRAM
CtrlLMB I/F
SATA IP
SATA PHY
SATA II Device
Processor Local Bus (PLB)Local Memory Bus (LMB)
DDR2 Memory
Ctrl INTDataNPI-SATA Ctrl
Serial Port
MicroBlaze(CPU)
Processor Sub-System
Xilinx標準のMicroBlaze周辺IPコア
NPI接続ブリッジ(ソースで提供)
PHYレイヤ(ソースで提供)
IPコア(Netlist)
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: アクセサリアクセサリ
• PCIeをSATAに変換するアダプタ基板
PCIe-SATA変換
アダプタ回路構成
TX+TX-RX-RX+
0.01uF x 4
SATAコネクタ
SATAチャネル数分アダプタ基板に実装
PCIeI/F
FPGAのMGTと接続
• SATAクロスオーバー変換ボード
8lanePCIe-SATAx8変換(ML605/ML555向け)
1lanePCIe-SATAx1変換(SP605向け)
SATA-Device開発向けTX-RX間を交換
(SATAケーブルと接続)
(SATAコネクタと接続)
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EDK(PlatformStudio)プロジェクト
SATASATA--IPIP紹介:紹介: EDKEDKによるによるRAIDRAID開発開発
SATA-IPを4チャネル分インスタンスしPLBバス
に並列接続
SATAチャネル(NPI接続ロジック, SATA-IP, PHY層を含む)はIPカタログに登録済みのため容易にイ
ンスタンス化できる
RAIDハードウエアの設計は…[1] IPカタログから‘npi_sata’ をドラッグ
&ドロップ[2] 接続ロジックとマッピングの追加
…これだけ!
SATASATA--IPIP紹介:紹介: SATA-IP応用実績1
NASAでのSATA-IP採用を報道した記事
(出典:Bangkok Post誌 Webニュース)
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: SATA-IP応用実績2
(出典:Xilinx社Webニュースリリース)
ストレージ製品にSATA-IPを採用した事例
(使用デバイス:Virtex-5LX20T)
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SATASATA--IPIP紹介:紹介: SATA-IP導入メリット
• 市販ASSPで実現できない機能を提供
– 市販ASSPデバイスは2ポート程度
– 市場での製品差別化
• FPGAの柔軟性を活かした製品戦略
– MOQ( 小発注数量)の制約がない
• 開発期間を短縮
– リファレンス・デザインを加工することで設計を簡略化
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SATASATA--IPIP紹介:問い合わせ紹介:問い合わせ
• ホームページに詳細な技術資料を用意
– http://www.dgway.com/products/IP/SATA-IP.html
• 問い合わせ
– 株式会社Design Gateway
– E-mail : [email protected]
– FAX : 050-3588-7915
SSDSSD動向:動向: SSDとHDDの比較
• SSDはHDDより耐衝撃、静寂性面でメリットがある
• その反面、記録容量単価が高く大容量品が少ない
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SSDSSD動向:動向: SSDドライブの小型化
• 小型化
– 2.5“ハーフサイズ
– MicroSATA/MiniSATA
東芝製 Blade X-gale
2.5インチSSDドライブ
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Paltek製小型SSD
スリム化
ハーフサイズ化
SSDSSD動向:動向: 課題
• 書き込み手順が複雑
– 旧データ読出し→ブロック消去→新+旧データ上書き
– ランダム・アクセスの場合この問題が顕著化する
• 書き換え回数に制限がある
– 同一セルの許容書換え回数:MLCは数千回,SLCは数万回
– 特定セルの書換えが集中しないようウェアレベリング
• ウェアレベリングでパフォーマンス低下となるケース
– 頻繁にR/Wアクセスするデータが分散化
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