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NVM Express

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NVM Express（缩写NVMe），或称非易失性内存主机控制器接口规范（英语：Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification，缩写：NVMHCIS），是一个逻辑设备接口规范。它是基于设备逻辑接口的总线传输协议规范（相当于通讯协议中的应用层），用于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加的非易失性存储器介质（例如采用闪存的固态盘机），虽然理论上不一定要求PCIe总线协议。NVMe是一种协议，是一组允许SSD使用PCIe总线的软硬件标准；而PCIe是实际的物理连接通道。

非易失性内存主机控制器接口工作组
简称NVMe
成立时间2011年，​13年前​（2011）
类型总线、硬盘驱动器接口[*]
网站nvmexpress.org
PCI Express型、M.2型（下）

NVM代表非易失性存储器（non-volatile memory）的首字母缩略字，这是固态硬盘（SSD）的常见的闪存形式。此规范主要是为基于闪存的存储设备提供一个低延时、内部并发化的原生界面规范，也为现代CPU、电脑平台及相关应用提供原生存储并发化的支持[1]，令主机硬件和软件可以充分利用固态存储设备的并行化存储能力。相比此前机械硬盘驱动器（HDD）时代的AHCI（SATA下的协议），NVMe/NVMHCI降低了I/O操作等待时间、提升同一时间内的操作数、更大容量的操作队列等。

依托于PCIe总线，NVMe设备可适用于各种支持PCIe总线的物理插槽上，包括标准尺寸的PCIe扩展卡（英语：Expansion card）（一般是4个PCIe通道）[2]、采用U.2物理连接界面（SFF-8639）的2.5英寸/3.5英寸标准尺寸固态盘机、[3][4]SATA Express总线（兼容于PCIe）的设备、M.2规格扩展卡等。[5]此规范由NVMHCIS工作组负责管理。

背景

历史上，大多数SSD使用如SATA、SAS或光纤通道等接口与计算机接口的总线连接。随着固态硬盘在大众市场上的流行，SATA已成为个人电脑中连接SSD的最典型方式；但是，SATA的设计主要是作为机械硬盘驱动器（HDD）的接口，机械结构的HDD使用读取臂做读写，与直接操作固态颗粒的SSD差异很大，并随着时间的推移越来越难满足速度日益提高的SSD。[6]随着在大众市场的流行，许多固态硬盘的数据速率提升已经放缓。不同于机械硬盘，部分SSD已受到SATA最大吞吐量的限制。

在NVMe出现之前，高端SSD只得以采用PCI Express总线制造，但需使用非标准规范的接口。若使用标准化的SSD接口，操作系统只需要一个驱动程序就能使用符合规范的所有SSD。这也意味着每个SSD制造商不必用额外的资源来设计特定接口的驱动程序。[7]

截至2014年9月，在光纤通道（FC）上使用NVMe的新标准也正在开发。[8]

截止2018年，NVMe包含NVMe、NVMe-MI以及NVMe-oF（NVMe over Fabrics）三个细分协议，其中NVMe为主协议，规范了host对盘的读写、访问以及资源管理等功能，NVMe-MI主要包括带外管理相关的功能，NVMe-oF主要是基于NVMe的网络协议规范，可以将FC等网络协议与NVMe进行结合起来。同时，并且三个协议在协同演进，未来将会围绕NVMe形成一个从盘到存储系统的端到端生态。

PCI Express与传统的SATA差异

NVMe标准对比AHCI标准：

  • 当数据从存储传输到服务器主机时，会进入一行或队列。传统的SATA连接只能支持一个队列，一次只能接收32条数据。而NVMe存储支持最多64000个队列，每个队列有64000个条目。
  • NVMe使用原生PCIe通道，免去了SATA与SAS接口的主机控制器与CPU通信所带来的延时。NVMe标准的延时只有AHCI的一半不到：NVMe精简了调用方式，执行命令时不需要读取寄存器；而AHCI每条命令则需要读取4次寄存器，一共会消耗8000次CPU循环，从而造成大概2.5微秒的延迟。
  • NVMe支持同时从多核处理器接受命令和优先处理请求，这在企业级的重负载时优势明显。
  • NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能。设备从Power State 0闲置50ms后可以切换到Power State 1；继续闲置的话，在500ms后又会进入功耗更低的Power State 2，切换时会有短暂延迟。SSD在闲置时可以非常快速的控制在极低的水平，在功耗管理上NVMe标准的SSD会比AHCI SSD拥有较大优势。

历史

2009年Intel开始着手寻找SATA的替代方案。SATA作为串行接口，采用AHCI规范，其已经成为制约SSD速度的瓶颈。AHCI只有1个命令队列，队列深度32。而NVMe可以有65535个命令队列，每个队列都可以深达65536个命令。NVMe也充分使用了MSI的2048个中断向量优势，延迟大大减小。最新的版本是2.0c；最大带宽约为16GB/s。[9]

2018年，基于NVMe的SSD已经可以突破15TB可用容量，读带宽达到6GB/s，100万IOPS（4KB随机读），同时保证微秒级延迟。[10] 产品规格：

  • 1.0e（2013年1月）
  • 1.1b（2014年7月）
  • 1.2（2014年11月）
    • 1.2a（2015年10月）
    • 1.2b（2016年6月）
    • 1.2.1（2016年6月）
  • 1.3（2017年5月）
    • 1.3a（2017年10月）
    • 1.3b（2018年5月）
    • 1.3c（2018年5月）
    • 1.3d（2019年3月）
  • 1.4（2019年6月）
    • 1.4a（2020年3月）
    • 1.4b（2020年9月）
  • 2.0（2021年5月）[11]
    • 2.0a（2021年7月）
    • 2.0b（2022年1月）
    • 2.0c（2022年10月）

操作系统支持

 
Linux内核的存储控制堆栈中，NVMe的资料路径、不同层面下多重内部队列的位置[12]
9Front
2017年3月30日，NVMe驱动程序发布并供使用[13]
Chrome OS
2015年2月24日，加入NVMe驱动至内核和开机加载程序，可从NVMe设备启动Chrome OS[14][15]
DragonFly BSD
DragonFly 4.6开始内置NVMe驱动程序[16]
FreeBSD
Intel赞助开发的驱动程序已内置于FreeBSD的head、stable/9分支中。[17][18]nvd(4)和nvme(4)驱动程序则是在10.2版FreeBSD中开始默认内置于其中。[19]
Haiku
Haiku已有驱动开发时程，但是目前仍未完成[20]
illumos
illumos于2014年10月15日获得驱动程序支持[21]
iOS
iOS 9开始支持，首款配备了NVMe接口的设备是iPhone 6S/6S Plus，也是首款采用NVMe的移动设备。物理接口和UFS相同的采用M-PHY PCIe。接下来Apple推出的iPad Pro和iPhone SE也采用了NVMe[22]
Linux
NVMe的驱动程序最早是英特尔提供的，适用于Linux的内核驱动程序模块。[23][24][25]这个模块在2012年3月19日集成到Linux内核的主线驱动程序当中，Linux内核3.3版开始内置支持而无需安装额外模块。[26]
NVMe采用了多队列设计，最高支持64k个队列。2014年1月19日的Linux内核 3.13版开始，block层增加了multi-queue block layer，这一模块可以充分利用多核CPU和底层高速SSD硬件资源，主机CPU的I/O提交队列可以与SSD侧的提交队列进行绑定，即是说每个CPU核可以与SSD硬件的队列进行1：1或者n:m（比值取决于硬件设计）进行配置。对上层应用仍然是通用的块接口。从应用的角度，在某一个CPU Core上产生的IO请求，中断也会在此CPU Core处理, 性能更优。在SSD性能不是瓶颈的情况下，应用的性能能够实现在多核环境下按照CPU Core的数量扩展，这点与AHCI的CPU单队列访问存储设备的机制有所不同。
2015年4月12日发布的Linux内核 4.0版开始，VirtIO区块层驱动程序，SCSI驱动层（与SATA驱动共享）、回环设备驱动（loop device） UBI（unsorted block images）驱动（供闪存实现区块擦写管理）以及RBD驱动程序（which exports Ceph RADOS objects as block devices）都被修改，以适应及适配越来越多的NVMe设备[27][28][29]
NetBSD
NetBSD在2016年的开发版本中初步支持NVMe。[30]
OpenBSD
OpenBSD的NVMe驱动程序自2014年6月开始，由此前开发并发布USB、AHCI驱动程序的高级开发团队负责。[31]OpenBSD 6.0开始正式支持。[32]
OS X/macOS
Mac OS X 10.10.3（OS X Yosemite）开始支持NVMe。苹果公司的Retina MacBook和2016年发布MacBook Pro，配备了使用NVMe的PCIe SSD作为主硬盘驱动器使用。[33]
Solaris
Solaris自Oracle Solaris 11.2开始支持NVMe。[34]
VMware
英特尔发布了供VMWare使用的NVMe驱动程序，[35]vSphere 6.0以及其后的版本中，均包含了该驱动程序，支持多种NVMe设备。[36]在 vSphere 6 update 1 更新中，VMWare的VSAN软件模拟的存储子系统也开始支持NVMe设备。[37]
Windows
微软在Windows 8.1和Windows Server 2012 R2开始，原生支持NVMe设备。[38][39]同时也为Windows 7和Windows Server 2008 R2提供原生驱动程序支持（Windows 7与Windows Server 2008 R2默认不支持NVMe，需由用户自行下载获取）。[40]
除了微软官方提供的驱动程序以外，OpenFabrics Alliance也有维护一套开放源代码的NVMe驱动程序，使用于Windows 7、8、8.1、10以及Windows Server 2008 R2、2012、2012 R2，这套驱动程序由数个加入了NVMe工作组的公司开发，包括IDT、英特尔以及LSI。[41] 当前版本为2016年12月发布的1.5。[42]

参见

参考资料

  1. ^ Compare: NVM Express. NVM Express, Inc. [2017-01-24]. （原始内容存档于2017-02-07）. NVMe™ is designed from the ground up to deliver high bandwidth and low latency storage access for current and future NVM technologies. 
  2. ^ Drew Riley. Intel SSD DC P3700 800GB and 1.6TB Review: The Future of Storage. tomshardware.com. 2014-08-13 [2014-11-21]. 
  3. ^ Intel Solid-State Drive DC P3600 Series (PDF). Intel: 18, 20–22. 2015-03-20 [2015-04-11]. （原始内容存档 (PDF)于2015-04-02）. 
  4. ^ Paul Alcorn. SFFWG Renames PCIe SSD SFF-8639 Connector To U.2. Tom's Hardware. 2015-06-05 [2015-06-09]. 
  5. ^ Dave Landsman. AHCI and NVMe as Interfaces for SATA Express Devices – Overview (PDF). SATA-IO. 2013-08-09 [2013-10-02]. （原始内容存档 (PDF)于2013-10-05）. 
  6. ^ Walker, Don H. A Comparison of NVMe and AHCI (PDF). 31 July 2012. SATA-IO. [3 July 2013]. （原始内容存档 (PDF)于2019-02-12）. 
  7. ^ NVM Express Explained (PDF). 9 April 2014 [21 March 2015]. （原始内容存档 (PDF)于2016-03-04）. 
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  10. ^ 王楠. 打造绿色数据中心 Memblaze发布NVMe SSD新品_科技_环球网. tech.huanqiu.com. [2018-11-13]. （原始内容存档于2018-11-13） （英语）. 
  11. ^ NVM Express Announces the Rearchitected NVMe 2.0 Library of Specifications. [2022-12-25]. （原始内容存档于2023-01-18）. 
  12. ^ Werner Fischer; Georg Schönberger. Linux Storage Stack Diagram. Thomas-Krenn.AG. 2015-06-01 [2015-06-08]. （原始内容存档于2019-06-29）. 
  13. ^ hg/plan9front:sys/src/9/pc/sdnvme.c. [2017-08-22]. （原始内容存档于2017-03-31）. 
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  21. ^ 4053 Add NVME Driver Support to Illumos. github.com. [2016-05-23]. （原始内容存档于2017-05-10）. 
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  41. ^ Windows NVM Express. Project web site. [September 18, 2013]. （原始内容存档于2013年6月12日）. 
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外部链接

 
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