[译]OpenExpress：面向未来快速NVMe设备的开源研究框架

NVMe控制器技术对于学者而言可能既困难又昂贵。现在，新的开源选项可以帮助EE学生为新的存储设备制作原型。

在7月的2020 USENIX年度技术会议（USENIX ATC）上，韩国高级科学技术研究院（KAIST）的电气工程师宣布了一种名为OpenExpress的可免费使用的新NVMe控制器技术。

OpenExpress的主要硬件IP内核。图片由KAIST的Myoungsoo Jung教授提供

他们说，这项技术有潜力帮助学术研究人员开发更快的存储设备，而不会消耗他们的预算。KAIST团队解释说，这项技术为研究人员提供了一个开放源代码硬件框架来开发NVMe设备。

非易失性内存Express（NVMe）

研究称，NVMe被广泛的存储和非易失性存储器子系统用作快速I / O通信接口。

它是为基于外围组件互连-表达（PCI-E）接口的高性能存储设备而设计的，旨在替代串行AT附件（SATA）协议。SATA是为处理硬盘驱动器（HDD）上的数据而开发的，在固态驱动器（SSD）中的性能不足。

PCle接口连接CPU和SSD。图片由Western Digital提供

与使用SATA相比，固态硬盘中的数据处理速度几乎快六倍，因此NVMe迅速成为超高速和大容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中。

学术界对NVMe控制器的短缺

工业界通过为高速NVMe控制器保护自己的知识产权（IP）来利用它，并探索NVMe存储卡对软件堆栈的挑战。但是，对于学术界而言，NVMe控制器IP并不广泛，因为，也许可以理解，科技公司渴望保护它。

商用NVMe控制器的示例—在本例中为Microchip的16通道第4代PCIe闪存控制器。图片由Microchip提供

尽管研究界有充分的理由要求开放源代码硬件框架为NVMe设备构建新的控制器。尽管有少数公司确实提供访问权限，但是它的价格很高，可以很容易地扩展到每月六个数字。

适用于大学的开源NVMe控制器技术

为了解决这个问题，KAIST的研究团队开发了NVMe控制器技术，该技术以硬件自动化的形式实现了SSD的并行数据处理。

该控制器由一系列基本硬件IP和关键的NVMe IP内核组成。为了证明其性能，该团队使用OpenExpress（OE）构建了NVMe硬件控制器原型，并设计了OE提供的所有逻辑以使其在高频下运行。

新技术的原型板和OpenExpress平面图。图片由KAIST的Myoungsoo Jung教授提供

使用OE开发的现场可编程门阵列（FPGA）表现出更高的I / O数据处理能力，支持高达7 Gbps的带宽。研究人员声称，与英特尔的新型Optane SSD相比，FPGA还显示出76％的带宽增加和68％的I / O延迟降低。

与英特尔的Optane SSD相比，使用OpenExpress构建的FPGA的度量标准。图片由KAIST的Myoungsoo Jung教授提供

从理论上讲，这使其适合研究超高速和大容量存储设备。

根据OE开源最终用户协议，所有大学和研究机构均可免费使用和修改NVMe控制器以用于非商业用途。这对于研究与NVMe控制器兼容的下一代存储设备非常有用。