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NVM Express

（NVMeから転送てんそう）

NVM Express (NVMe、エヌブイエムイー) もしくは NVMHCI (Non-Volatile Memory Host Controller Interface) はPCI Express (PCIe) で不揮発ふきはつの補助ほじょ記憶きおく装置そうちを接続せつぞくするためのインターフェース規格きかくであり、AHCIに代かわる次世代じせだい規格きかくである。2021年ねん7月がつ現在げんざいの最新さいしん規格きかくはRev.2.0[1]。NVMは不揮発ふきはつ性せいメモリ (Non-Volatile Memory) の頭文字かしらもじである。

Non-Volatile Memory Host Controller Interface Working Group
略称りゃくしょう NVMe
設立せつりつ 2011年ねん
ウェブサイト nvmexpress.org
テンプレートを表示ひょうじ
PCI Expressの拡張かくちょうカード型がた（上うえ）と、M.2コネクタのもの（下した）

概要がいよう

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NVMeを使用しようしたPCI Express 3.0×4接続せつぞくのSSD

シリアルATA (SATA) は主おもにHDD用ように設計せっけいされたものであり、その限界げんかい転送てんそう速度そくどである6 Gbpsを超こえることは出来できず、SSDの性能せいのうを制限せいげんしていた。

NVMeは近代きんだい的てきなCPU、プラットフォーム、アプリケーションの並列へいれつ性せいとフラッシュメモリーの低ひくいレイテンシや内部ないぶ並列へいれつ性せいを最大限さいだいげん利用りようするよう設計せっけいされた。その結果けっか、以前いぜんのインターフェースに比較ひかくしてI/Oオーバーヘッドを下さげ様々さまざまなパフォーマンスを改善かいぜんし、並列へいれつ度どの高たかいコマンドキューと低ていレイテンシが可能かのうになった。

NVMe規格きかく制定せいてい以前いぜんよりハイエンドSSD製品せいひんの中なかには、PCI Expressを使用しようした非ひ標準ひょうじゅんのインターフェースで接続せつぞくするものもあったが、各かくSSDメーカーのドライバが必要ひつようであった。この規格きかくで各かくメーカーが特定とくていのインターフェースのためにドライバを設計せっけいする必要ひつようはなくなった。

NVMeデバイスには次つぎの種類しゅるいがある：

  • PCI Express標準ひょうじゅんサイズの拡張かくちょうカード
  • 2.5インチのカード型がた。U.2コネクター(SFF-8639)の4レーンのPCI Express
    • U.3
  • M.2コネクタ
  • EDSFF (Enterprise and Data Center SSD Form Factor): SFF-TA-1002
    • E1.S: SFF-TA-1006
    • ES: SFF-TA-1008, SFF-TA-1023
  • NGSFF (Next Generation Small Form Factor): NF1

経緯けいい

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不揮発ふきはつ性せいメモリにアクセスする新あたらしい標準ひょうじゅん規格きかくはインテル・デベロッパー・フォーラムで2007年ねんに最初さいしょに公開こうかいされ、コントローラーとフラッシュメモリー間あいだのI/Fとして「Open NAND Flash Interface Working Group」のONFIが、ホストとコントローラのI/FとしてNVMHCIが示しめされた[2]。同年どうねんにインテルが主導しゅどうするNVMHCIワーキンググループが結成けっせいされた。NVMHCI 1.0の仕様しようの策定さくていは2008年ねん4月がつに完了かんりょうしインテルのウェブサイトで公開こうかいされた[3][4][5]。

NVMeの技術ぎじゅつ的てきな策定さくていは2009年ねん後半こうはんに始はじまり[6]、90社しゃ以上いじょうの企業きぎょうで構成こうせいされる「NVM Express Workgroup」で開発かいはつされた。インテルのアンバー・ハフマンが同どうグループの議長ぎちょうを務つとめた。仕様しよう書しょのバージョン1.0は2011年ねん3月がつ1日にちに[7]、バージョン1.1は2012年ねん10月がつ11日にちに発表はっぴょうされた[8]。バージョン1.1で追加ついかされた主おもな特色とくしょくはマルチパス I/O（名前なまえ空間くうかんの共有きょうゆうあり）と任意にんい長ちょうのスキャッタ/ギャザーI/Oである。今後こんごは名前なまえ空間くうかん管理かんりの大幅おおはばな強化きょうかが期待きたいされている[6]。NVMe 1.1は機能きのうに重点じゅうてんを置おいているためエンタープライズNVMHCIとも呼よばれた[9]。2013年ねん1月がつ、NVMe仕様しようのアップデートバージョン「1.0 e-」が公開こうかいされた[10]。

2012年ねん8月がつには最初さいしょのNVMeチップセットがIntegrated Device Technology社しゃから発売はつばいされた(89HF16P04AG3および89HF32P08AG3)[11][12]。最初さいしょのNVMeドライブは、2013年ねん7月がつに発表はっぴょうされたサムスンのXS1715エンタープライズドライブであり、3 GB/s の読よみ取とり速度そくどをサポートし、同社どうしゃの過去かこのエンタープライズ製品せいひんよりも6倍ばい高速こうそくであるとしている[13]。2013年ねん11月に発売はつばいされたLSI SandForce SF3700 コントローラーもNVMeをサポートし[14]、同どうコントローラーのPCI Express 2.0 ×4を搭載とうさいしたサンプルでは、1,800 MB/秒びょうの読よみ取とり/書かき込こみシーケンシャル速度そくどと、150K/80KのランダムIOPSが確認かくにんされた[15]。また、同どうコントローラーを使用しようしたKingston HyperXのプロシューマー製品せいひんがコンシューマー・エレクトロニクス・ショー2014で展示てんじされ、同様どうようの性能せいのうが示しめされた[16][17]。2014年ねん6月がつ、インテル初はつのNVMe製品せいひんとして、PCI Expressバスのintel SSD データセンターファミリー DC P3700シリーズ、DC P3600シリーズ、DC P3500シリーズが発表はっぴょうされた[18]。

2014年ねん3月がつにグループは法人ほうじん化かして「NVM Express, Inc.」となり、2014年ねん11月時点じてんで同社どうしゃは65社しゃ以上いじょうの企業きぎょうで構成こうせいされている。NVMeの仕様しようは同社どうしゃが所有しょゆう、保守ほしゅしており、業界ぎょうかい標準ひょうじゅんとしての認知にんち度ど向上こうじょうも促進そくしんしている。同社どうしゃはPromoter Groupから選えらばれた13名めい（シスコ、デル、EMC、HGST、インテル、マイクロン、マイクロソフト、NetApp、Oracle、PMC、サムスン、サンディスク、シーゲイト）の取締役とりしまりやく会かいによって運営うんえいされている[19]。

AHCIとの違ちがい

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Advanced Host Controller Interface (AHCI) は幅広はばひろいソフトウェアとの互換ごかん性せいが利点りてんであるが、PCI Expressに接続せつぞくしたSSDの性能せいのうを発揮はっきしきれないという欠点けってんもある。AHCIは当時とうじ一般いっぱん的てきであったハードディスクとCPUやメモリの接続せつぞくを念頭ねんとうに設計せっけいされたためである。SSDはハードディスクと比くらべると半導体はんどうたいメモリ寄よりの特性とくせいを持もつ[20][21]。

NVMeはPCIe SSDの低てい遅延ちえん、並列へいれつ性せいと現代げんだい的てきなCPU、プラットフォーム、アプリケーションの並列へいれつ処理しょりとの組くみ合あわせを最大限さいだいげんに生いかすために一いちから設計せっけいしなおされた。結果けっかとして下表かひょうの通とおり様々さまざまなパフォーマンスが改善かいぜんされた[20][21][22]。

AHCI と NVMeの仕様しようの違ちがい[20][21]
  AHCI NVMe
最大さいだいキュー深度しんど コマンドキュー: 1個いっこ

32 コマンド/キュー

コマンドキュー: 65536個こ

65536 コマンド / キュー[23]

Un-cacheable register accesses (2000 サイクル毎ごと) 6 / 未みキューコマンド

9 / キュー済ずみコマンド

2 / コマンド
MSI-Xと割わり込こみステアリング 単一たんいつの割わり込こみ

ステアリング 無なし

2048 MSI-X 割わり込こみ
並列へいれつ処理しょり、マルチスレッド 同期どうきロックが必要ひつよう ロック不要ふよう
4 KB コマンドの効率こうりつ コマンド・パラメータ はホスト側がわのDRAMから直列ちょくれつで2フェッチが必要ひつよう コマンド・パラメータ は単一たんいつのフェッチ（64 Byte）で済すむ

仕様しよう

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これまでのNVMeの仕様しようは以下いかの通とおり[24]。

  • 1.0e (2013年ねん1月がつ)
  • 1.1b (2014年ねん7月がつ)
  • 1.2 (2014年ねん11月)
    • 1.2a (2015年ねん10月がつ)
    • 1.2b (2016年ねん6月がつ)
    • 1.2.1 (2016年ねん6月がつ)
  • 1.3 (2017年ねん5月がつ)
    • 1.3a (2017年ねん10月がつ)
    • 1.3b (2018年ねん5月がつ)
    • 1.3c (2018年ねん5月がつ)
    • 1.3d (2019年ねん3月がつ)
  • 1.4 (2019年ねん6月がつ)
    • 1.4a (2020年ねん3月がつ)
    • 1.4b (2020年ねん9月がつ)
  • 2.0 (2021年ねん5月がつ)
    • 2.0a (2021年ねん7月がつ)
    • 2.0b (2022年ねん1月がつ)

対応たいおうOS

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LinuxカーネルのNVMeデータパス[25]
ChromeOS
2015年ねん2月がつ24日にち、NVMeからの起動きどうに対応たいおう[26][27]。
DragonFly BSD
DragonFly 4.6でドライバを搭載とうさい[28]。
FreeBSD
HEADとSTABLE/9の両りょうブランチにインテルがドライバを提供ていきょうした[29][30]。FreeBSD 10.2 以降いこう、nvd(4) と nvme(4) のドライバがGENERICカーネルに含ふくまれている[31]。
Haiku
将来しょうらい的てきに対応たいおう予定よてい[32]。
illumos
2014年ねん10月15日にちに対応たいおうを開始かいし[33]。
iOS
iPhone 6Sと6S PlusでAppleがスマートフォンでNVMe over PCIeを採用さいよう。その後ご同どう技術ぎじゅつを使用しようするiPad ProとiPhone SE を発売はつばい[34]。
Linux
Intelは2012年ねん3月がつ19日にちリリースのLinuxカーネル3.3でドライバーを公開こうかい[35][36][37][38]。
主おもにFusion-ioが開発かいはつした高性能こうせいのうSSD用ようのブロックレイヤー「blk-multiqueue」（blk-mq）が2014年ねん1月がつ19日にちリリースのLinuxカーネル3.13に統合とうごうされた。これによりより高たかいI/O送信そうしん率りつを実現じつげんしている。Linuxカーネルのブロック層そうの新しん設計せっけいにより内部ないぶキューは2つのレベル（CPUとハードウェアサブミッションキュー）に分割ぶんかつされ、ボトルネックが取とり除のぞかれてI/Oの高こう並列へいれつ化かが可能かのうになった[39][40][41]。
2015年ねん4月がつ12日にちにリリースされたLinuxカーネル4.0では以下いかのドライバがNVMeを使用しようするように変更へんこうされた[42][43][44]：
  • VirtIOブロックドライバ
  • SCSI層そう（SATAドライバ）
  • ループデバイスドライバ
  • アンソートブロックイメージ (UBI)ドライバ（フラッシュメモリの消去しょうきょブロック管理かんり層そう）
  • RBDドライバ（Ceph RADOSオブジェクトをブロックデバイスとしてエクスポート）
NetBSD
開発かいはつ版ばん（NetBSD-current）でNVMeをサポート[45]。実装じっそうはOpenBSD 6.0に由来ゆらい。
OpenBSD
過去かこにUSB 2.0とAHCIサポートを担当たんとうしていた上級じょうきゅう開発かいはつ者しゃによって2014年ねん4月がつから作業さぎょう開始かいし[46]。OpenBSD 6.0でサポート[47]。
OS X
OS X Yosemite10.10.3で導入どうにゅう。Retina MacBookはPCIe over NVMeをインターフェイスとして利用りよう[48]。
Solaris
Oracle Solaris 11.2でサポート[49]。
VMware
IntelはvSphere 6.0以降いこうへVMware[50]用ようのドライバーを提供ていきょう[51]。vSphere 6 update 1では、VMwareのソフトウェア定義ていぎストレージサブシステム「VSAN」もNVMeデバイスをサポート[52]。
Windows
Windows 8.1およびWindows Server 2012 R2から対応たいおう[22][53]。Windows 7およびWindows Server 2008 R2もアップデートでドライバが提供ていきょうされた[54]。
OpenFabricsアライアンスは、Windows 7/8/8.1及およびWindows Server 2008R2/2012/2012R2用ようのオープンソースのNVMe Windowsドライバーを保持ほじしている。これはNVMeワークグループの一部いちぶのプロモーター企業きぎょう、特とくにIDT、Intel、LSIのベースラインコードから開発かいはつされている[55]。現行げんこうバージョンは1.4（2014年ねん12月にリリース）[56]。

ソフトウェアサポート

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QEMU
2013年ねん8月がつ15日にちにリリースされた v1.6以降いこうのQEMUがNVMeに対応たいおう[57]。
UEFI
SourceforgeからUEFI用ようオープンソース NVMeドライバーが利用りよう可能かのう[58]。

脚注きゃくちゅう

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  1. ^ NVMeBMaster. “Specifications” (英語えいご). NVM Express. 2021年ねん7月がつ7日にち閲覧えつらん。
  2. ^ “Speeding up Flash... in a flash”. The Inquirer (2007年ねん10月がつ13日にち). 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  3. ^ http://www.bswd.com/FMS09/FMS09-T2A-Huffman.pdf
  4. ^ “Flash new standard tips up”. The Inquirer (2008年ねん4月がつ16日にち). 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  5. ^ http://www.flashmemorysummit.com/English/Collaterals/Proceedings/2008/20080813_T2A_Huffman.pdf
  6. ^ a b http://www.flashmemorysummit.com/English/Collaterals/Proceedings/2013/20130813_A12_Onufryk.pdf
  7. ^ “New Promoter Group Formed to Advance NVM Express”. Press release. (June 1, 2011). http://www.nvmexpress.org/wp-content/uploads/2013/04/NVMe_Press_Release_New-Promoter-Group_20110601.pdf September 18, 2013閲覧えつらん。 
  8. ^ Amber Huffman editor (October 11, 2012). “NVM Express Revision 1.1”. Specification. September 18, 2013閲覧えつらん。
  9. ^ David A. Deming (2013年ねん6月がつ8日にち). “PCIe-based Storage” (PDF). snia.org. 2014年ねん1月がつ12日にち閲覧えつらん。
  10. ^ Amber Huffman editor (January 23, 2013). “NVM Express Revision 1.0e”. Specification. September 18, 2013閲覧えつらん。
  11. ^ “IDT releases two NVMe PCI-Express SSD controllers”. The Inquirer (2012年ねん8月がつ21日にち). 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  12. ^ “IDT Shows Off The First NVMe PCIe SSD Processor and Reference Design - FMS 2012 Update”. The SSD Review (2012年ねん8月がつ24日にち). 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  13. ^ “Samsung Announces Industry’s First 2.5-inch NVMe SSD | StorageReview.com - Storage Reviews”. StorageReview.com (2013年ねん7月がつ18日にち). 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  14. ^ “LSI SF3700 SandForce Flash Controller Line Unveiled | StorageReview.com - Storage Reviews”. StorageReview.com (2013年ねん11月18日にち). 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  15. ^ “LSI Introduces Blazing Fast SF3700 Series SSD Controller, Supports Both PCIe and SATA 6Gbps”. hothardware.com. 21 March 2015閲覧えつらん。
  16. ^ Jane McEntegart. “Kingston Unveils First PCIe SSD: 1800 MB/s Read Speeds”. Tom's Hardware. 21 March 2015閲覧えつらん。
  17. ^ “Kingston HyperX Predator PCI Express SSD Unveiled With LSI SandForce SF3700 PCIe Flash Controller”. hothardware.com. 21 March 2015閲覧えつらん。
  18. ^ “Intel® Solid-State Drive Data Center Family for PCIe*”. Intel. 21 March 2015閲覧えつらん。
  19. ^ “NVM Express  » NVM Express Organization History”. www.nvmexpress.org. 23 December 2015閲覧えつらん。
  20. ^ a b c Dave Landsman (2013年ねん8月がつ9日にち). “AHCI and NVMe as Interfaces for SATA Express Devices – Overview” (PDF). SATA-IO. 2013年ねん10月がつ2日にち閲覧えつらん。
  21. ^ a b c Dave Landsman and Don Walker (2013年ねん11月15日にち). “NVMe and AHCI as SATA Express Interface Options final” (PDF). SATA-IO. 2023年ねん11月7日にち閲覧えつらん。
  22. ^ a b Andy Herron (2013年ねん). “Advancements in Storage and File Systems in Windows 8.1” (PDF). snia.org. 2014年ねん1月がつ10日とおか時点じてんのオリジナルよりアーカイブ。2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  23. ^ NVM Express specification revision 1.2. section 1.4 Theory of Operation. http://nvmexpress.org/wp-content/uploads/NVM_Express_1_2_Gold_20141209.pdf. 
  24. ^ NVMe Specifications
  25. ^ “Linux Storage Stack Diagram”. Thomas-Krenn.AG (2015年ねん6月がつ1日にち). 2015年ねん6月がつ8日にち閲覧えつらん。
  26. ^ “NVM Express  » ChromeOS adds boot support for NVM Express”. nvmexpress.org. 21 March 2015閲覧えつらん。
  27. ^ “4f503189f7339c667b045ab80a949964ecbaf93e - chromiumos/platform/depthcharge - Git at Google”. googlesource.com. 21 March 2015閲覧えつらん。
  28. ^ “DragonFly BSD 4.6”. www.dragonflybsd.org. 2016年ねん9月がつ8日にち閲覧えつらん。
  29. ^ “Log of /head/sys/dev/nvme”. FreeBSD source tree. The FreeBSD Project. 16 October 2012閲覧えつらん。
  30. ^ “Log of /stable/9/sys/dev/nvme”. FreeBSD source tree. The FreeBSD Project. 3 July 2013閲覧えつらん。
  31. ^ “FreeBSD 10.2-RELEASE Release Notes”. The FreeBSD Project. 5 August 2015閲覧えつらん。
  32. ^ “#9910 NVMe devices support”. dev.haiku-os.org. 2016年ねん7月がつ28日にち閲覧えつらん。
  33. ^ “4053 Add NVME Driver Support to Illumos”. github.com. 2016年ねん5月がつ23日にち閲覧えつらん。
  34. ^ Ho, Joshua. “iPhone 6s and iPhone 6s Plus Preliminary Results”. www.anandtech.com. 2016年ねん6月がつ1日にち閲覧えつらん。
  35. ^ Matthew Wilcox (2011年ねん3月がつ3日にち). “NVM Express driver”. LWN.net. 2013年ねん11月5日にち閲覧えつらん。
  36. ^ Keith Busch (2013年ねん8月がつ12日にち). “Linux NVMe Driver” (PDF). flashmemorysummit.com. 2013年ねん11月5日にち閲覧えつらん。
  37. ^ “IDF13 Hands-on Lab: Compiling the NVM Express Linux Open Source Driver and SSD Linux Benchmarks and Optimizations” (PDF). activeevents.com (2013年ねん). 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  38. ^ “Merge git://git.infradead.org/users/willy/linux-nvme”. kernel.org (2012年ねん1月がつ18日にち). 2013年ねん11月5日にち閲覧えつらん。
  39. ^ “Linux kernel 3.13, Section 1.1 A scalable block layer for high-performance SSD storage”. kernelnewbies.org (2014年ねん1月がつ19日にち). 2014年ねん1月がつ25日にち閲覧えつらん。
  40. ^ Jonathan Corbet (2013年ねん6月がつ5日にち). “The multiqueue block layer”. LWN.net. 2014年ねん1月がつ25日にち閲覧えつらん。
  41. ^ “Linux Block IO: Introducing Multi-queue SSD Access on Multi-core Systems” (PDF). kernel.dk. ACM (2013年ねん). 2014年ねん1月がつ25日にち閲覧えつらん。
  42. ^ “Linux kernel 3.18, Section 1.8. Optional multiqueue SCSI support”. kernelnewbies.org (2014年ねん12月7日にち). 2014年ねん12月18日にち閲覧えつらん。
  43. ^ “Linux kernel 4.0, Section 3. Block”. kernelnewbies.org (2015年ねん5月がつ1日にち). 2015年ねん5月がつ2日にち閲覧えつらん。
  44. ^ “Linux Multi-Queue Block IO Queueing Mechanism (blk-mq) - Device Drivers”. thomas-krenn.com (2015年ねん6月がつ8日にち). 2015年ねん6月がつ8日にち閲覧えつらん。
  45. ^ “nvme -- Non-Volatile Memory Host Controller Interface”. NetBSD manual pages (2016年ねん1月がつ1日にち). 2016年ねん9月がつ2日にち閲覧えつらん。
  46. ^ David Gwynne (2014年ねん4月がつ16日にち). “non volatile memory express controller (/sys/dev/ic/nvme.c)”. BSD Cross Reference. 2014年ねん4月がつ27日にち閲覧えつらん。
  47. ^ David Gwynne (2016年ねん4月がつ14日にち). “man 4 nvme”. OpenBSD man page. 2016年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。
  48. ^ “Faster 'NVM Express' SSD Interface Arrives on Retina MacBook and OS X 10.10.3”. macrumors.com. 11 April 2015閲覧えつらん。
  49. ^ “nvme(7D)”. Oracle. 2014年ねん12月2日にち閲覧えつらん。
  50. ^ “Intel Solid-State for NVMe Drivers”. intel.com (2015年ねん9月がつ25日にち). 2016年ねん3月がつ17日にち閲覧えつらん。
  51. ^ “VMware Compatibility Guide for NVMe devices”. vmware.com. 2016年ねん3月がつ17日にち閲覧えつらん。
  52. ^ “VSAN Now Supporting NVMe Devices”. vmware.com (2015年ねん11月11日にち). 2016年ねん3月がつ17日にち閲覧えつらん。
  53. ^ “Windows 8.1 to support hybrid disks and adds native NVMe driver”. Myce.com (2013年ねん9月がつ6日にち). 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。
  54. ^ “Update to support NVM Express by using native drivers in Windows 7 or Windows Server 2008 R2”. Microsoft (2014年ねん11月13日にち). 2014年ねん11月17日にち閲覧えつらん。
  55. ^ “Windows NVM Express”. Project web site. September 18, 2013閲覧えつらん。
  56. ^ https://svn.openfabrics.org/svnrepo/nvmewin/releases/
  57. ^ “ChangeLog/1.6”. qemu.org. 21 March 2015閲覧えつらん。
  58. ^ “Download EDK II from”. SourceForge.net. 2014年ねん1月がつ11日にち閲覧えつらん。

関連かんれん項目こうもく

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Advanced Host Controller Interface

外部がいぶリンク

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