說到NVMe，“快”是人們對它的第一印象。因為NVMe的出現(xiàn)，硬盤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，翻譯過來就是非易失性內存主機控制器接口規(guī)范，在它首次投放市場的時候，許多人認為它只是一個新的、速度更快的SSD。但實際上，NVMe是一種基于性能并從頭開始創(chuàng)建新存儲協(xié)議，它可以使我們能夠充分利用SSD和存儲類內存(SCM)的速度。

NVMe是一種高性能、NUMA(非統(tǒng)一內存訪問)優(yōu)化的、高度可擴展的存儲協(xié)議，用于連接主機和內存子系統(tǒng)。NVMe是專門為NAND、閃存等非易失性存儲設計的，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命令隊列;
• 可以使用低CPU周期為每個隊列發(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可以實現(xiàn)超過一百萬的IOP。

NVMe的演變

在過去的十年中，存儲技術發(fā)生了翻天覆地的變化。隨著固態(tài)硬盤開始取代機械硬盤成為主要的存儲設備，我們急需一個新的接口標準來利用更快的速度和功能。傳統(tǒng)的SATA接口與AHCI標準其實是為了機械硬盤而設計的，早期的SSD性能不高，即使使用這些傳統(tǒng)的接口和協(xié)議，也不覺得有什么問題，但是隨著SSD的性能逐漸增強，傳統(tǒng)的標準已經不再適用，進而成為了限制SSD的一大瓶頸。NVMe是第一個真正滿足高速存儲介質需求的協(xié)議。

2009年下半年，NVM Express工作組(NVMHCI)開始制定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建立新的存儲規(guī)范標準，讓它在老舊的SATA與AHCI中解放出來。

2011年，NVMe 1.0標準正式出爐，該標準是根據閃存存儲的特點量身定制的，新的標準解除了舊標準施放在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標準已于2019年7月發(fā)布。

NVMe如何工作?

NVMe通過PCIe接口將I/O命令和響應映射到主機的共享內存。NVMe接口支持多核處理器并行I/O，以促進高吞吐量，緩解CPU的壓力。

與SCSI和ATA命令集相比，NVMe提供了更加簡化的命令集來處理I/O請求。相對于前兩者，NVMe需要的CPU指令數量少一半。

NVMe的本質是上建立了多個計算機與存儲設備的通路。NVMe在單個消息隊列中支持64000個命令，最多支持65535個I/O隊列。相比之下，SAS設備的隊列深度通常在一個隊列中最多支持256個命令，而SATA驅動器最多支持32個命令。打個比方，如果SATA是一條普通的小道，每次只能通過32輛車的話，那NVMe就是一條擁有65535條車道的高速公路，每條車道能通過65535輛車。

NVMe的優(yōu)勢

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

NVMe的優(yōu)勢包括：

• 低延時，NVMe協(xié)議可以通過PCIe通道跟CPU直接相連，數據不需要像SATA一樣需要通過控制器再中轉到CPU;
• IOPS大增，NVMe則可以把最大隊列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會得到大幅提升。
• 功耗更低，NVMe加入了自動功耗狀態(tài)切換和動態(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、系統(tǒng)，無需廠家提供相應的驅動就可以正常工作。

NVMe還是物聯(lián)網(IoT)、人工智能(AI)和機器學習(ML)等創(chuàng)新和發(fā)展中的技術和應用程序的關鍵推動力，這些技術和應用程序都可以受益于NVMe連接的低延遲和高性能貯存。

寫在最后

NVM Express Inc.在2016年6月發(fā)布了1.0版的NVMe over Fabrics(簡稱NVMe-OF)，NVMe-OF的出現(xiàn)，就是將NVMe應用到前端，作為存儲陣列與前端主機連接的通道，取代過去的FC、iSCSI。下篇我們一起來看一下什么是NVMe-OF。