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什么是NVMe SSD技术?您需要使用它们吗?

,2021-11-04 25638分钟阅读

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概述

要说到固态硬盘,大家一定都非常熟悉了,近几年固态硬盘的大面积普及,使得SSD已经与我们的生活紧密结合,无论是服务器固态,还是办公电脑用的固态,又或者是电竞用固态,产品早已琳琅满目,不过大部分的消费者其实还差一种体验,那就是NVMe SSD,这是一种不同于SATA SSD的固态硬盘,今天我们就来了解一下。

NVMe 代表“NVM Express”, 或称非易失性内存主机控制器接口规范(Non-Volatile Memory express),是一个逻辑设备接口规范。NVMe协议标准由NVM Express公司监管,这是一个由100多个组织组成的联盟,这些组织致力于开发更快的协议以提高非易失性存储的性能。该组织由一个13家公司组成的董事会领导,其中包括Cavium、Cisco、Dell EMC、Facebook、英特尔、Micron、Microsemi、微软、NetApp、三星、希捷、东芝内存和Western Digital。

NVMe的官方定义将其描述为“一个开放的标准和信息集合,以充分释放非易失性存储在从移动端到数据中心的所有类型的计算环境中能够提供的优势。NVMe从底层开始设计,为当前和未来的NVM技术提供高带宽和低延迟存储访问。”

它是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范(相当于通讯协议中的应用层),用于访问通过PCI-Express(PCIe)总线附加的非易失性内存介质。

NVMe的优势

NVMe 技术带来出众的存储空间、速度和兼容性。由于 NVMe 利用 PCIe 插槽,它传输的数据量是同等 SATA 产品的 25 倍。除了更多数据,NVMe 命令的速度是 AHCI 驱动程序命令的 2 倍。此外,NVMe 的每秒输入/输出操作 (IOPS) 超过 100 万,是 AHCI 硬盘的 900%。得益于自身的兼容性,NVMe 还直接与系统 CPU 通信,具有惊人的速度。NVMe 硬盘兼容所有主要的操作系统,无论外形尺寸如何。

NVMe (Non-Volatile Memory Express) 是一种通信接口和驱动程序,可充分利用 PCIe 提供的更高带宽。它旨在提高性能和效率,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,利用高速 PCIe 插槽在存储接口和系统CPU 之间进行通信,不存在外形尺寸限制。

NVMe 协议利用类似高性能处理器架构的并行、低延迟基础介质数据通道。相比 SAS 和 SATA 协议,这大幅提升了性能并降低了延迟。NVMe可以支持多个 I/O 队列,最多可达 64000 个,而每个队列包含 64000 个条目。相比采 AHCI(高级主控接口)等传统驱动程序的旧存储模型,NVMe 让输入/输出任务可以更快地传输更多数据。由于 NVMe专为 SSD 设计,它最终将成为新的行业标准。

通信驱动器程序:AHCI与NVMe

通信驱动程序被操作系统用来与存储设备交换数据。NVMe 驱动程序比常见于 SATA 接口的 AHCI 驱动程序速度快。NVMe专为采用闪存技术的 SSD 设计,速度远超专为采用旋转磁盘技术的普通机械硬盘设计的 AHCI 驱动程序。NVMe 拥有 64000 个命令队列,可以每个队列发送 64000 条命令,而 AHCI 只有一个命令队列,每个队列只能发送 32 条命令。利用AHCI 驱动程序,命令利用高 CPU 周期,延迟为 6 微秒,而 NVMe 驱动程序命令利用低 CPU 周期,延迟为 2.8 微秒。

NVMe驱动程序直接与系统 CPU 通信,而 AHCI 必须与 SATA 控制器通信。AHCI 的 IOPS(每秒输入/输出操作)最高 10 万,而 NVMe 的 IOPS 超过 100 万。IOPS(每秒输入/输出操作,发音是 i-ops)是用来对计算机存储设备进行基准测试的常见性能衡量指标。

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NVMe SSD外形尺寸

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        NVMe SSD 存在多种不同的外形尺寸,但具体取决于用例或应用。

l  个人/客户端产品使用 BGA 和 M.2 外形尺寸。

l  数据中心/服务器应用使用 M.2、U.2、U.3 和 EDSFF 外形尺寸。

        目前业界正在针对 EDSFF(企业和数据中心 SSD 外形尺寸)制定标准和推动相关工作,EDSFF 提供一个动态范围的外形尺寸和标准,共用相同的协议 (NVMe)、相同的接口 (PCIe),并使用它们自己的边缘连接器 (SFF-TA-1002)、引脚分配和功能 (SFF-TA-1009)。

为什么NVMe在数据中心至关重要

在数据密集型企业环境中,组织纷纷对持续不断的数字化转型展开投资,存储协议不断改进。直到现在,SATA(支持 SSD 和旋转磁盘机械硬盘)仍是主流协议,但随着 Non-Volatile Memory Express (NVMe) 的兴起,设备不断向新型技术转变。

借助这种名为 NVMe 的新存储协议,数据中心和企业环境可以充分利用高性能闪存。由于 SATA 接口为机械硬盘设计,因此,当与基于闪存的 SSD 结合时,SATA 就存在许多低效之处。SATA 协议适用于 SSD 和 HDD,而 NVMe 特别为 SSD 设计。因此,SATA 与 NVMe 之间存在巨大的性能差异。

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上文图 1 显示了 SATA 和 NVMe 之间的 IOPS 和带宽差异

        SATA III 号称速度高达 600MB/秒,但无法一直维持这种性能。现实中许多旧服务器仅支持 SATA/SAS SSD,因此基于 SATA 的 SSD 适合部分数据中心工作负载,但它们最终会触及性能瓶颈。

通过同时执行众多 I/O 操作,NVMe 提供了组织所需的多核处理能力,从而可以在企业环境中高效地访问、操作和处理数据。正是这种服务质量 (QoS) 在一致的 I/O 交付与高水平读写 IOPS 性能之间达成完美平衡,可管理各种工作负载。

综上所述

        从技术角度来说,具有 M.2 或 U.2 PCIe 3.0 4x 链路连接的 NVME 设备的传输速率高达 3928MBps,比 SATA 3.0 设备快六倍多,几乎是SATA3.2版本设备的两倍。还有其他好处,例如比SATA和固态驱动器消耗更少的功率、与SSD一样安静,以及更高的IOPS,更低的延迟。SATA3 7200RPM的HDD磁盘具有100的IOPS,使用SATA2.0接口的SSD具有50,000到12,000 的IOPS,具体取决于设备制造商。使用PCIe接口的SSD可以达到300,000 IOPS以上,但M.2 PCIe上的NVMe设备可以达到450,000 IOPS。当然,这些并不是硬性数字,因为技术每天都在进步,实验设备已经证明每个接口和协议都可以达到更高的IOPS。使用NVMe设备也有一些缺点,例如成本和并非所有设备都能支持NVMe设备。一些用户可能会发现在Windows7操作上不使用特殊的方法无法使用NVMe设备,或不得不使用UEFI引导加载程序而不是传统引导加载程序。总而言之,如果在购买预算范围内,使用NVMe驱动器,拥有令人惊叹的速度和体验。当然,对于大多数消费者来说,SATA SSD提供了足够的性能来完成日常工作。而且由于SATA SSD比NVMe SSD便宜,大多数消费者级别的固态存储仍然使用SATA接口。



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