說(shuō)到NVMe，“快”是人們對(duì)它的第一印象。因?yàn)镹VMe的出現(xiàn)，硬盤(pán)的性能得到了極大的提升。那到底什么是NVMe呢?

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什么是NVMe?

NVMe是 non-volatile memory express 縮寫(xiě)，翻譯過(guò)來(lái)就是非易失性?xún)?nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范，在它首次投放市場(chǎng)的時(shí)候，許多人認(rèn)為它只是一個(gè)新的、速度更快的SSD。但實(shí)際上，NVMe是一種基于性能并從頭開(kāi)始創(chuàng)建新存儲(chǔ)協(xié)議，它可以使我們能夠充分利用SSD和存儲(chǔ)類(lèi)內(nèi)存(SCM)的速度。

NVMe是一種高性能、NUMA(非統(tǒng)一內(nèi)存訪問(wèn))優(yōu)化的、高度可擴(kuò)展的存儲(chǔ)協(xié)議，用于連接主機(jī)和內(nèi)存子系統(tǒng)。NVMe是專(zhuān)門(mén)為NAND、閃存等非易失性存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的，NVMe協(xié)議建立在高速PCIe通道上。

NVMe接口協(xié)議的功能包括：

• 支持64K命令隊(duì)列;
• 可以使用低CPU周期為每個(gè)隊(duì)列發(fā)送64K命令;
• 延遲約為2.8微秒;
• 可以直接與系統(tǒng)CPU通信;
• NVMe可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)一百萬(wàn)的IOP。

NVMe的演變

在過(guò)去的十年中，存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化。隨著固態(tài)硬盤(pán)開(kāi)始取代機(jī)械硬盤(pán)成為主要的存儲(chǔ)設(shè)備，我們急需一個(gè)新的接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)利用更快的速度和功能。傳統(tǒng)的SATA接口與AHCI標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)是為了機(jī)械硬盤(pán)而設(shè)計(jì)的，早期的SSD性能不高，即使使用這些傳統(tǒng)的接口和協(xié)議，也不覺(jué)得有什么問(wèn)題，但是隨著SSD的性能逐漸增強(qiáng)，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不再適用，進(jìn)而成為了限制SSD的一大瓶頸。NVMe是第一個(gè)真正滿足高速存儲(chǔ)介質(zhì)需求的協(xié)議。

2009年下半年，NVM Express工作組(NVMHCI)開(kāi)始制定NVMe規(guī)范，NVM Express工作組包含90多家公司成員，Intel是主要領(lǐng)頭人，小組成員包括美光、戴爾、三星、Marvell、NetAPP、EMC、IDT等公司，目的就是為SSD建立新的存儲(chǔ)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，讓它在老舊的SATA與AHCI中解放出來(lái)。

2011年，NVMe 1.0標(biāo)準(zhǔn)正式出爐，該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)閃存存儲(chǔ)的特點(diǎn)量身定制的，新的標(biāo)準(zhǔn)解除了舊標(biāo)準(zhǔn)施放在SSD上的各種限制。2012、2014和2017相繼推出了1.1、1.2和1.3版本，目前最新的NVMe 1.4標(biāo)準(zhǔn)已于2019年7月發(fā)布。

NVMe如何工作?

NVMe通過(guò)PCIe接口將I/O命令和響應(yīng)映射到主機(jī)的共享內(nèi)存。NVMe接口支持多核處理器并行I/O，以促進(jìn)高吞吐量，緩解CPU的壓力。

與SCSI和ATA命令集相比，NVMe提供了更加簡(jiǎn)化的命令集來(lái)處理I/O請(qǐng)求。相對(duì)于前兩者，NVMe需要的CPU指令數(shù)量少一半。

NVMe的本質(zhì)是上建立了多個(gè)計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)設(shè)備的通路。NVMe在單個(gè)消息隊(duì)列中支持64000個(gè)命令，最多支持65535個(gè)I/O隊(duì)列。相比之下，SAS設(shè)備的隊(duì)列深度通常在一個(gè)隊(duì)列中最多支持256個(gè)命令，而SATA驅(qū)動(dòng)器最多支持32個(gè)命令。打個(gè)比方，如果SATA是一條普通的小道，每次只能通過(guò)32輛車(chē)的話，那NVMe就是一條擁有65535條車(chē)道的高速公路，每條車(chē)道能通過(guò)65535輛車(chē)。

NVMe的優(yōu)勢(shì)

NVMe的優(yōu)勢(shì)在于它能夠利用到并行數(shù)據(jù)路徑，從而在加速方面提供更好的性能。它能夠使現(xiàn)有的應(yīng)用程序以及新的應(yīng)用程序可以更有效地工作。除此之外，低延時(shí)、低功耗以及兼容性高等也是NVMe的眾多優(yōu)勢(shì)之一。

NVMe的優(yōu)勢(shì)包括：

• 低延時(shí)，NVMe協(xié)議可以通過(guò)PCIe通道跟CPU直接相連，數(shù)據(jù)不需要像SATA一樣需要通過(guò)控制器再中轉(zhuǎn)到CPU;
• IOPS大增，NVMe則可以把最大隊(duì)列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會(huì)得到大幅提升。
• 功耗更低，NVMe加入了自動(dòng)功耗狀態(tài)切換和動(dòng)態(tài)能耗管理功能;
• 兼容性高，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平臺(tái)、系統(tǒng)，無(wú)需廠家提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)就可以正常工作。

NVMe還是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)等創(chuàng)新和發(fā)展中的技術(shù)和應(yīng)用程序的關(guān)鍵推動(dòng)力，這些技術(shù)和應(yīng)用程序都可以受益于NVMe連接的低延遲和高性能貯存。

寫(xiě)在最后

NVM Express Inc.在2016年6月發(fā)布了1.0版的NVMe over Fabrics(簡(jiǎn)稱(chēng)NVMe-OF)，NVMe-OF的出現(xiàn)，就是將NVMe應(yīng)用到前端，作為存儲(chǔ)陣列與前端主機(jī)連接的通道，取代過(guò)去的FC、iSCSI。下篇我們一起來(lái)看一下什么是NVMe-OF。