通俗解讀NVMe前世今生

NVMe是一個經過優化的高性能可伸縮主機控制器介面，為企業和客戶提供基於PCI Express固態存儲解決方案。NVMe旨在超越硬碟驅動器技術的黑暗時代，它全新為非易失性內存(NVM)技術構建旨在提供對存儲的有效訪問，如NAND快閃記憶體和未來的高性能持久存儲(Persistent Memory)技術。

NVMe解決了傳統存儲技術面臨的性能問題，包括帶寬、IOPs和延遲。例如，串列ATA的最大IOPs可能是200,000，而NVMe設備已經被證明超過100萬IOPs。通過支持PCIe和Fabric，如RDMA和光纖通道，NVM Express可以支持比SATA或SAS更高的帶寬(例如，PCIe Gen3x4可以提供4 GB/s帶寬)，存儲技術讀取訪問延遲低於微秒，存儲協議更加精簡，支持端到端延遲低於10微秒。

NVMe是一種全新的存儲體系結構，從軟體棧到硬體設備系統都全新設計，具體體現在PCIe介面標準、NVM原生架構、針對下一代NVM優化、環境兼容和高效擴展五大方面。

最初的NVM Express工作組於2014年合併為NVM Express, Inc.，是負責開發NVM Express規範的組織。該組織目前有100多家成員公司。

NVM Express規範的1.0版於2011年3月1日發布，由行業內的成員公司合作開發。該規範的1.1版本於2012年10月11日發布，1.2版於2014年11月3日發布。2015年11月，NVMe管理介面規範(NVMe-MI)發布，為NVMe組件和系統提供帶外管理能力。MI為所有NVMe設備和系統提供了一個通用的基線管理特性集和可選特性。命令集包括查詢和設置、配置、獲取子系統運行狀態、固件管理、名稱空間管理、安全管理等。

NVM Express組織目前正在開發NVMe規範1.3版本，預計在2016年完成。1.3版完成對移動設備支持的需求，以及對低功耗和其他技術特性的需求。當1.3版完成時，NVMe將成為所有平台通過數據中心存儲系統從移動設備上獲取數據的存儲介面。

NVMe over Fabrics標準規範開始於2014年。在2016年完成NVMe over fabric規範將NVMe擴展到諸如乙太網、光纖通道和InfiniBand網路，它不僅提供對單個NVMe設備的訪問，還提供對NVMe存儲系統的訪問。

NVMe作為一種存儲協議，從開始設計就用於非易失性存儲(NVM)，包括當前的NAND flash技術和下一代NVM技術。就其本身而言，NVMe克服了硬碟驅動器存儲協議所面臨的各種限制。

NVMe協議支持多個深度隊列，這是對傳統SAS和SATA協議的改進。單個隊列中，典型的SAS設備最多支持256條命令，SATA設備最多支持32條命令。這對於硬碟驅動器技術來說或許已經足夠，但對VNMe來說是不能充分利用當前NAND Flash和下一代NVM技術存儲能力的。

相比之下，NVMe支持每個隊列64K命令，最多支持64K隊列。這些隊列中的I/O命令和對應命令的響應操作都在相同的處理器內核上處理，能夠充分利用多核處理器的並行處理能力。每個應用程序或線程擁有自己獨立的隊列，因此規避I/O鎖定。NVMe還支持MSI-X和中斷控制防止CPU級別的瓶頸，隨著系統擴展不斷縮性。

此外，NVMe有一個精簡而簡單的命令集，處理I/O請求所需CPU指令數量還不到SAS或SATA技術的一半，從而讓每個CPU指令周期支持更高的IOPS和主機軟體堆棧較低的I/O延遲。NVMe還支持預留和客戶端功能(如電源管理)等企業級特性，將性能改進擴展到I/O之外。

NVMe專註於存儲協議，可以支持各種形式的介面形態。如 M.2和U.2(原名 SFF-8639)。NVMe功率範圍支持從全功率企業設備到低功率移動設備。NVMe還可以利用處理器狀態來優化功率。

NVMe能力在以下操作系統環境中得到支持。兼容列表和支持的操作系統和環境正在不斷的擴展，關於NVMe驅動程序的更新信息可在NVMe官網查詢。

NVMe通過支持隧道協議解決當前的數據隱私問題，該協議提供可信計算組(TCG)和其他相關社區生成的安全特性。目前，計劃為NVMe設備和系統提供的功能包括簡單的訪問控制、靜態數據保護、密碼擦除、Purge-level擦除和其他功能。

有關NVMe存儲安全性的其他信息，請參閱可信計算組和NVMe聯合白皮書：TCG storage, Opal和NVMe(TCG Storage, Opal and NVMe)。

NVMe正在迅速獲得消費者和供應商的認可。行業分析師預測NVMe將在未來幾年成為主要的存儲介面。通過高性能和低延遲特性，以及幾乎所有平台的可用性，NVMe將是一個遊戲改變者。

第一次，NVMe與以前的任何存儲協議不同，使用主機進行操作。精簡的指令、較低延遲的軟體堆棧、隊列的並行性和較大的隊列深度，以及非易失性的設計，提供了以前聞所未聞的I/O和吞吐率和有史以來最低的存儲延遲。

參考來源：

https://nvmexpress.org/white-paper-nvm-express-overview/

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