详解：什么是NVMe？

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说到NVMe，“快”是人们对它的第一印象。因为NVMe的出现，硬盘的性能得到了极大的提升。那到底什么是NVMe呢？

什么是NVMe？

NVMe是 non-volatile memory express 缩写，翻译过来就是非易失性内存主机控制器接口规范，在它首次投放市场的时候，许多人认为它只是一个新的、速度更快的SSD。但实际上，NVMe是一种基于性能并从头开始创建新存储协议，它可以使我们能够充分利用SSD和存储类内存（SCM）的速度。

NVMe是一种高性能、NUMA（非统一内存访问）优化的、高度可扩展的存储协议，用于连接主机和内存子系统。NVMe是专门为NAND、闪存等非易失性存储设计的，NVMe协议建立在高速PCIe通道上。

NVMe接口协议的功能包括：

• 支持64K命令队列；

• 可以使用低CPU周期为每个队列发送64K命令；

• 延迟约为2.8微秒；

• 可以直接与系统CPU通信；

• NVMe可以实现超过一百万的IOP。

NVMe的演变

在过去的十年中，存储技术发生了翻天覆地的变化。随着固态硬盘开始取代机械硬盘成为主要的存储设备，我们急需一个新的接口标准来利用更快的速度和功能。

传统的SATA接口与AHCI标准其实是为了机械硬盘而设计的，早期的SSD性能不高，即使使用这些传统的接口和协议，也不觉得有什么问题，但是随着SSD的性能逐渐增强，传统的标准已经不再适用，进而成为了限制SSD的一大瓶颈。NVMe是第一个真正满足高速存储介质需求的协议。

2009年下半年，NVM Express工作组（NVMHCI）开始制定NVMe规范，NVM Express工作组包含90多家公司成员，Intel是主要领头人，小组成员包括美光、戴尔、三星、Marvell、NetAPP、EMC、IDT等公司，目的就是为SSD建立新的存储规范标准，让它在老旧的SATA与AHCI中解放出来。

2011年，NVMe 1.0标准正式出炉，该标准是根据闪存存储的特点量身定制的，新的标准解除了旧标准施放在SSD上的各种限制。2012、2014和2017相继推出了1.1、1.2和1.3版本，目前最新的NVMe 1.4标准已于2019年7月发布。

NVMe如何工作？

NVMe通过PCIe接口将I/O命令和响应映射到主机的共享内存。NVMe接口支持多核处理器并行I/O，以促进高吞吐量，缓解CPU的压力。

与SCSI和ATA命令集相比，NVMe提供了更加简化的命令集来处理I/O请求。相对于前两者，NVMe需要的CPU指令数量少一半。

NVMe的本质是上建立了多个计算机与存储设备的通路。NVMe在单个消息队列中支持64000个命令，最多支持65535个I/O队列。相比之下，SAS设备的队列深度通常在一个队列中最多支持256个命令，而SATA驱动器最多支持32个命令。打个比方，如果SATA是一条普通的小道，每次只能通过32辆车的话，那NVMe就是一条拥有65535条车道的高速公路，每条车道能通过65535辆车。

NVMe的优势

NVMe的优势在于它能够利用到并行数据路径，从而在加速方面提供更好的性能。它能够使现有的应用程序以及新的应用程序可以更有效地工作。除此之外，低延时、低功耗以及兼容性高等也是NVMe的众多优势之一。

NVMe的优势包括：

• 低延时，NVMe协议可以通过PCIe通道跟CPU直接相连，数据不需要像SATA一样需要通过控制器再中转到CPU；

• IOPS大增，NVMe则可以把最大队列深度从32提升到64000，SSD的IOPS能力也会得到大幅提升。

• 功耗更低，NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能；

• 兼容性高，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平台、系统，无需厂家提供相应的驱动就可以正常工作。

NVMe还是物联网（IoT）、人工智能（AI）和机器学习（ML）等创新和发展中的技术和应用程序的关键推动力，这些技术和应用程序都可以受益于NVMe连接的低延迟和高性能贮存。

写在最后

NVM Express Inc.在2016年6月发布了1.0版的NVMe over Fabrics（简称NVMe-OF），NVMe-OF的出现，就是将NVMe应用到前端，作为存储阵列与前端主机连接的通道，取代过去的FC、iSCSI。下篇我们一起来看一下什么是NVMe-OF。

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