2021年04月08日 | 还没用上NVMe硬盘？先来了解下~

2021-04-08 来源：存储灾备

一、背景

前几年大多数SSD使用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接口已成为连接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，并随着时间的推移越来越难满足速度日益提高的SSD，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，所以需要出现新的技术来突破。

基于SATA接口的SSD

二、相关概念回顾

1、尺寸

2.5寸或者3.5寸驱动器(在SFF标准中定义)；

M.2 和 PCI Express(PCIe)(在PCI-SIG标准中定义)。

2、接口

SATA接口，通常用于2.5寸和3.5寸硬盘，有时候一些M.2设备也会使用；

PCI Express(PCIe)接口，用于M.2和PCIe设备；

SAS(串行SCSI)和FC(Fibre Channel)接口，一般仅用于数据中心级；

PCIe接口要比SATA接口快的多，SATA3带宽是6Gb/s，而基于4X PCIe的接口可以达到32Gb/s。

3、协议

协议是定义了如何在计算机与设备之间传输数据的规范。常见的接口协议包括：

用于SATA接口的AHCI或者ATA协议；

用于PCIe接口的NVMe协议。

到这里就比较清晰了，NVMe是运行在接口上的通信协议，用于规范计算机与设备器件的数据传输。

另外上述尺寸、接口和协议通常是可以按照一定规则组合的，比如：

M.2形态的SSD

在NVMe出现之前，高端SSD只得采用PCI Express总线制造，但需要使用非标准的接口规范。若使用标准化的SSD接口规范，操作系统只需要一个驱动程序就能使用匹配规范的所有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。

三、概述

NVMe是一种逻辑的设备接口规范，或者叫协议，是使用PCIe通道的SSD一种规范，英文全称是Non-Volatile Memory Express，或者叫做非易失性内存主机控制器接口规范。

此规范目的在于充分利用PCIe通道的低延时以及并行性，还有当代处理器、平台与应用的并行性，在可控制的存储成本下，极大的提升固态硬盘的读写性能，降低由于AHCI接口规范带来的高延时，彻底解放在SATA时代固态硬盘未能发挥的极致性能。

PCIe形态的SSD

四、NVMe的优势总结

1、使SSD的吞吐性能有数倍的提升；

2、可大幅降低延迟，可降低50%以上；

3、NVMe可以把最大队列深度数倍提升，SSD的IOPS能力也会得到数倍的提升；

4、自动功耗状态切换和动态能耗管理功能大大降低功耗；

5、NVMe标准的出现解决了不同PCIe SSD之间的驱动适用性问题。

五、性能提升的原因

为什么NVMe如此之快(这里说的快是基于SSD设备的，如果是机械硬盘HDD则不然)。由于SSD本身的物理特性，其数据的访问已经非常快了，性能的瓶颈就是出在计算机与硬盘连接的接口和协议上面。

NVMe协议的原理本质是在数据通信时建立了多个计算机与硬盘的通路，这样搬运数据的速度自然就提高了。在NVMe协议中，多个通路其实就是多个队列。在SATA中计算机与硬盘只能有一个队列，即使是多CPU情况下，所有请求只能经过这样一个狭窄的道路。而NVMe协议可以最多有64K个队列，每个CPU或者核心都可以有一个队列，这样并发程度大大提升。

NVMe存储支持最多64000个队列，每个队列有64000个条目。换句话说，这就像从一条单行车道转换到一条6.4万个车道并行的很宽的道路上，而每条车道都能容纳6.4万辆汽车，这对整体表现产生了巨大的影响。

另外当系统从HDD读取数据时，它一次只能读取一块数据。因为它必须进行旋转以定位到第一个数据块的正确物理位置，然后再次旋转，移动到第二个数据块的正确位置，以此类推。而闪存和其他非易失性存储技术没有移动部件，这意味着系统可以同时从许多不同的位置读取数据。这就是为什么SSD可以利用NVMe提供的并行性，而HDD不能的原因。

NVMe硬盘

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