【忆芯技术分享】SSD变砖怎么办？Administrative Controller来帮忙

随着固态闪存硬盘在存储领域中的广泛使用，硬盘维护工作面临较大困难。数据中心的管理维护者、硬盘使用者或者硬盘研发人员经常遇到的问题：SSD出问题了，被系统踢盘或者再也不能接入系统，成为一个砖块。随着NVMe规范v1.4以及后续v2.0版本的发布，协议中提出来Administrative Controller的概念，便很好的解决该问题。

图一：NVMe协议2.0版本

01  为什么会踢盘

在此之前的SSD由于PCIe的Class Code申明的为IO Controller类型，这样Controller和读写IO紧密相关的，当读写IO出现异常未返回的情况时，SCSI中层会Abort相关超时IO，并进行超时重试的情况。由于IO在SSD中不知什么情况卡住，不管Abort命令还是重试的IO可能都不响应，这样主机就会将IO相关的块设备移除，进行Disable Controller操作，并移除相应的字符设备，导致主机无法看到SSD盘相关的任何设备，这样对维护SSD带来较大困难。

图二：SSD盘超时踢盘日志

02  传统NVMe模型

Controller是介于主机和NVM Subsystem之间，是连接主机和SSD的重要节点，传统的NVMe模型构建申明为IO Controller，支持主机创建IO Queue和IO读写等操作。Namespace主要是非易失存储NAND Flash的逻辑映射块，主机可以直接访问。

图三：传统NVMe构建模型

Controller在系统中对应为nvme0、nvme1、nvme2等字符设备号，Namespace(NS)在系统中对应nvme0n1、nvme1n1、nvme2n1等块设备号。IO Controller和Namespace紧密相关。

图四：传统SSD盘在系统中的设备号

03  NVMe协议v1.4和v2.0新增Controller类型

新版本协议引入Controller Type概念，主要分为如下三种类型：

图五：Controller类型

1、IO Controller：支持访问用户数据的控制器

2、Discovery Controller：基于NVMe Over Fabrics相关命令的控制器

3、Administrative Controller：仅支持管理相关命令，不支持IO相关命令的控制器

针对只有IO Controller的构型，踢盘后主机对SSD盘就会脱管，给维护人员带来管理困难，为了解决该问题，NVMe协议引进了Administrative Controller。Administrative Controller由于不支持IO相关命令，不支持Namespace管理命令，不和IO强相关，支持带内管理，所以在IO通路出现故障时，仍然可以管理NVMe系统，获取相关状态或者信息，以此来实现SSD永远在线的功能，不会变砖，增加SSD的可维护性。

04  Administrative Controller如何实现

STAR2000E是忆芯科技基于新一代高性能企业级SSD主控芯片STAR2000的产品方案，已经支持Administrative Controller功能，该功能构建使用PCIe的SR-IOV功能的虚拟Function。 

一个SSD Subsystem中支持一个虚拟Function对应的Administrative Controller、一个物理Function对应的IO Controller和若干个虚拟Function对应的IO Controller。

图六：STAR2000E控制器模型构建示意图

Administrative Controller在前端PCIe中申明Class Code为0x010803的设备类型。

图七：PCIe Class Code定义

Controller Capability中申明为Controller Type为3。

图八：Controller Type定义

通过主控的多核多线程技术，实现独立通路，保证IO通路异常情况不影响到Administrative Controller的正常工作，能够有效支撑系统管理对SSD健康的轮询，实时掌握和定位IO Controller的异常情况，对主机来说就能保证永久在线。

随着Administrative Controller概念引入，MI信息可以通过带内管理命令走Administrative Controller通路获取SSD相关信息；或者SSD管理也可以通过特定的驱动管理该Controller相关信息，特定驱动可以接管Administrative Controller类型的NVMe字符设备号，方便系统集群化的管理，对数据中心更友好。

Administrative Controller对应的字符设备号为nvme0，IO Controller对应的字符设备号为nvme1，Namespace对应的块设备号nvme1n1，如果IO异常踢盘，则只影响nvme1和nvme1n1，nvme0仍然正常在线，并能响应管理相关命令。

图九：新模型构建的设备号

忆芯科技新一代高性能企业级PCIe4.0 SSD主控芯片STAR2000与产品方案STAR2000E全面支撑NVMe2.0协议，实现了Administrative Controller，SSD对主机永久在线功能。对企业级管理需求能更好的满足，可以轻松支持各种管理模式，提升SSD的可维护性。

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北京忆芯科技有限公司成立于2015年底，作为国内较早从事高性能固态硬盘主控芯片研发的企业，致力于成为赋能大数据应用的芯片全球领导者。经过7年的发展，公司已成长为国内领先的高端PCIe SSD主控芯片和成品盘供应商，为各行业的信息化发展提供高质量芯片级底层保障，业务方向覆盖消费级、工业级和企业级，主控芯片及解决方案。

忆芯科技核心成员具有多年研发经验和多项研发成果，拥有从底层算法到芯片设计，再到解决方案设计等多方面的丰富经验。在坚持自主研发基础上，研发的芯片产品拥有250余项自主知识产权，并创新性地将处理器架构首次引入存储领域；现已成功完成3款高端消费级、企业级SSD主控芯片流片，所研发的高性能低功耗NVMe SSD主控已量产出货。公司总部位于北京，在上海、成都、合肥、厦门、深圳分别设有研发中心和客户技术支持中心。