NVMe 概况

NVMe (Non-Volatile Memory Express) 是一种通信接口和驱动程序，为基于 PCIe 的 SSD 定义了命令集和功能集，目标是提高性能和效率，同时让广泛的企业级系统和客户端系统实现互操作。NVMe 专为 SSD 设计。它利用高速 PCIe 插槽在存储接口和系统 CPU 之间进行通信，而无论存储器外形尺寸如何。相比采用 AHCI（高级主控接口，SATA SSD 的特性之一）等旧驱动程序的旧存储型号，利用 NVMe 驱动程序执行的输入/输出任务开始速度更快、传输的数据更多、结束速度更快。由于 NVMe 专为 SSD 设计，NVMe 正在成为数据中心服务器和客户端设备（笔记本电脑、台式机，甚至是下一代游戏主机）的新行业标准。

NVMe 技术支持各种外形尺寸，例如 PCIe 卡插槽、M.2 和 U.2。一些 SSD 使用的是采用 AHCI 而非 NVMe 的 SATA、PCIe 插槽和 M.2，而 U.2 是仅用于 NVMe 协议的外形尺寸。

简介

NVMe 是为满足企业和客户系统需求，利用基于 PCIe 的固态存储，而精心设计的一个优化的，高效的，可伸缩主机控制器接口。NVMe 是为非易失性内存(NVM)技术从头开始全新构建的，目的在于超越硬盘驱动器技术的黑暗时代。从今天的 NAND 闪存技术到未来高性能、持久的内存技术，用这些非易失存储构建存储设备，NVMe 的设计为这些非易失存储（NVM）构建的存储设备提供高效访问。

有几个 NVMe 设法解决的性能指标，包括带宽，IOPs，时延。例如，串行 ATA 最大可能的 IOPs 是 200000【20 万】，而 NVMe 设备已经被证明可以超过 1000000【100 万】IOPs。通过支持 PCIe 和网络（例如 RDMA，FC）NVMe 能够支持比 SATA 或 SAS 高很多的带宽（例如 PCIe Gen3 x4 达到 4GB/s）。下一代内存技术可能使读访问时延低于一个微秒，要求新的协议包括软件栈在内能够低于 10 微秒的端到端时延。

对存储来说，从软件栈到硬件设备和系统，NVMe 是一个全新的架构。

历史和路标

NVMe 协议优势

NVMe 作为一种存储协议，被从头开始设计用于非易失性内存(NVM)，包括当前的 NAND flash 技术和下一代 NVM 技术。因此，它没有像为硬盘驱动器设计的存储协议那样做相同的限制。

NVMe 协议支持多个深度队列，这是对传统 SAS 和 SATA 协议的改进。典型的 SAS 设备在一个队列中最多支持 256 条命令，而 SATA 设备最多支持 32 条命令。这些对于硬盘驱动器技术来说已经足够了，但是不能充分利用当前和下一代 NVM 技术。

与此相反，NVMe 支持每个队列 64K 命令，最多支持 64K 队列。这些队列的设计使得 I/O 命令和对这些命令的响应操作在相同的处理器内核上，并且可以利用多核处理器的并行处理能力。每个应用程序或线程都可以有自己独立的队列，因此不需要 I/O 锁定。NVMe 还支持 MSI-X 和中断控制，这可以防止 CPU 级别的瓶颈，并在系统扩展时支持大规模的可伸缩性。

此外，NVMe 有一个精简而简单的命令集，它使用不到 SAS 或 SATA 一半的 CPU 指令来处理 I/O 请求，在主机软件堆栈中提供更高的每 CPU 指令周期 IOPS 和更低的 I/O 延迟。NVMe 还支持企业特性(如预订)和客户端特性(如电源管理)，将改进的效率扩展到 I/O 之外。

接口形式和功耗

NVMe 专注于存储协议，可以处理各种形式的接口。这些包括：

• M.2 形式
• U.2 2.5-inch 驱动器形式（以前称为 SFF-8639）
• Add-in PCIe 卡（AIC）

NVMe 功率范围从全功率企业设备到低功率移动设备。NVMe 还利用处理器电源状态的优势。

操作系统支持

在一下环境中已经支持 NVMe。

存储安全

NVMe 通过支持隧道协议解决当前的数据隐私问题，该协议提供可信计算组(TCG)和其他相关社区生成的安全特性。

计划为 NVMe 设备和系统提供的功能包括简单的访问控制、静态数据保护、密码擦除、清除级擦除和其他功能。

有关 NVMe 存储安全性的其他信息，请参阅可信计算组和 NVM Express 联合白皮书:TCG storage, Opal 和 NVMe，网址为http://www.nvmexpress.org/white-papers/

总结

NVMe 正在迅速获得消费者和供应商的认可。一些行业分析师预测，NVMe 将在未来几年成为主流的存储接口。由于其高性能和低延迟特性，以及几乎所有平台的可用性，NVMe 是一个行业进程的改变者。

与以往任何存储协议不同，存储设备和存储子系统第一次有了与主机操作的根本不同的方式。精简的指令、较低的延迟软件堆栈、队列的并行性和较大的队列深度，以及非易失性内存的设计，提供了以前从未听说过的 I/O 和吞吐率，以及有史以来最低的存储延迟。