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NVM Express

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非ひ易えき失しつ性せい内ない存そん主ぬし机つくえ控ひかえ制せい器き接せっ口こう工作こうさく组
简称NVMe
成立せいりつ时间2011年ねん，​13年ねん前まえ​（2011）
类型总线、硬かた碟机介かい面めん[*]
网站nvmexpress.org

NVM Express（缩写NVMe），或ある称しょう非ひ易えき失しつ性せい内ない存そん主ぬし机つくえ控ひかえ制せい器き接せっ口こう规范（英えい语：Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification，缩写：NVMHCIS），是ぜ一个逻辑设备接口规范。它是基もと于装置そうち逻辑接せっ口こう的てき汇流排はい传输协定规范（相当そうとう于通讯协议中的てき应用层），用よう于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加ふか的てき非ひ挥发性せい记忆体たい介かい质（例れい如采用よう快かい闪记忆体的てき固かた态硬碟机），虽然理り论上不ふ一定いってい要求ようきゅうPCIe汇流排はい协定。NVMe是ぜ一いち种协议，是ぜ一いち组允许SSD使用しようPCIe总线的てき软硬件けん标准；而PCIe是ぜ实际的てき物理ぶつり连接通どおり道どう。

PCI Express型かた、M.2型かた（下した）

NVM代表だいひょう非ひ挥发性せい记忆体たい（non-volatile memory）的てき首くび字母じぼ缩略字りゃくじ，这是固かた态硬盘（SSD）的てき常つね见的闪存形式けいしき。此规范主要よう是ぜ为基于快闪记忆体的てき存そん储装置そうち提供ていきょう一个低延时、内部ないぶ并行化か的てき原生げんせい界面かいめん规范，也为现代CPU、电脑平台ひらだい及相关应用よう提供ていきょう原げん生存せいぞん储并行ぎょう化か的てき支援しえん[1]，令れい主しゅ机つくえ硬かた体からだ和わ软体可か以充分ぶん利用りよう固かた态存储装置そうち的てき并列化か存そん储能力りょく。相そう比ひ此前机つくえ械硬碟机（HDD）时代的てきAHCI（SATA下か的てき协议），NVMe/NVMHCI降くだ低てい了りょうI/O操作そうさ等とう待まち时间、提つつみ升ます同一どういつ时间内的ないてき操作そうさ数すう、更さら大だい容量ようりょう的てき操作そうさ队列等とう。

依よ托たく于PCIe汇流排はい，NVMe装置そうち可か适用于各种支援しえんPCIe汇流排はい的てき物理ぶつり插槽上じょう，包括ほうかつ标准尺寸しゃくすん的てきPCIe扩展卡（英えい语：Expansion card）（一般いっぱん是ぜ4个PCIe通どおり道どう）[2]、采さい用ようU.2物理ぶつり连接界面かいめん（SFF-8639）的てき2.5英えい寸すん/3.5英えい寸すん标准尺寸しゃくすん固かた态硬碟机、[3][4]SATA Express汇流排はい（相あい容よう于PCIe）的てき装置そうち、M.2规格扩展卡等。[5]此规范由NVMHCIS工作こうさく组负责管理かんり。

背景はいけい

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历史上じょう，大だい多数たすうSSD使用しよう如SATA、SAS或ある光ひかり纤通道どう等とう接せっ口こう与あずか计算机つくえ接せっ口こう的てき总线连接。随ずい着ぎ固かた态硬盘在大だい众市场上的てき流行りゅうこう，SATA已やめ成なり为个人电脑中ちゅう连接SSD的てき最さい典型てんけい方式ほうしき；但ただし是ぜ，SATA的てき设计主要しゅよう是ぜ作さく为机つくえ械硬盘驱动器（HDD）的てき接せっ口こう，机つくえ械结构的HDD使用しよう读取臂ひじ做读写うつし，与あずか直接ちょくせつ操作そうさ固かた态颗粒つぶ的てきSSD差さ异很大だい，并随着ぎ时间的てき推移すいい越来ごえく越えつ难满足あし速度そくど日び益えき提ひさげ高だか的てきSSD。[6]随ずい着ぎ在ざい大だい众市场的流行りゅうこう，许多固かた态硬盘的数すう据すえ速そく率りつ提つつみ升ます已やめ经放缓。不同ふどう于机械硬盘，部分ぶぶんSSD已やめ受到SATA最大さいだい吞吐量りょう的まと限げん制せい。

在ざいNVMe出で现之前まえ，高こう端はしSSD只ただ得とく以采用ようPCI Express总线制せい造づくり，但ただし需使用しよう非ひ标准规范的てき接せっ口こう。若わか使用しよう标准化か的てきSSD接せっ口こう，操作そうさ系けい统只ただ需要じゅよう一个驱动程序就能使用符合规范的所有SSD。这也意味いみ着ぎ每ごと个SSD制せい造づくり商しょう不ふ必用ひつよう额外的てき资源来らい设计特定とくてい接せっ口こう的てき驱动程ほど序じょ。[7]

截至2014年ねん9月がつ，在ざい光ひかり纤通道どう（FC）上じょう使用しようNVMe的てき新しん标准也正在ざい开发。[8]

截止2018年ねん，NVMe包含ほうがんNVMe、NVMe-MI以及NVMe-oF（NVMe over Fabrics）三さん个细分ぶん协议，其中NVMe为主协议，规范了りょうhost对盘的てき读写、访问以及资源管理かんり等とう功こう能のう，NVMe-MI主要しゅよう包括ほうかつ带外管理かんり相しょう关的功こう能のう，NVMe-oF主要しゅよう是ぜ基もと于NVMe的てき网络协议规范，可か以将FC等とう网络协议与NVMe进行结合起おこり来らい。同どう时，并且三个协议在协同演进，未来みらい将しょう会かい围绕NVMe形成けいせい一个从盘到存储系统的端到端生态。

PCI Express与あずか传统的てきSATA差さ异

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NVMe标准对比AHCI标准：

  • 当とう数すう据すえ从存储传输到服ふく务器主ぬし机つくえ时，会かい进入一いち行ぎょう或ある队列。传统的てきSATA连接只ただ能のう支持しじ一いち个队列れつ，一いち次じ只ただ能のう接收せっしゅう32条じょう数すう据すえ。而NVMe存そん储支持しじ最多さいた64000个队列れつ，每まい个队列れつ有ゆう64000个条目め。
  • NVMe使用しよう原生げんせいPCIe通つう道どう，免まぬかれ去ざ了りょうSATA与あずかSAS接せっ口こう的てき主しゅ机つくえ控ひかえ制せい器き与あずかCPU通信つうしん所しょ带来的てき延のべ时。NVMe标准的てき延のべ时只有ゆうAHCI的てき一半いっぱん不ふ到いた：NVMe精せい简了调用方式ほうしき，执行命令めいれい时不需要じゅよう读取寄よせ存そん器き；而AHCI每ごと条じょう命令めいれい则需要よう读取4次じ寄よせ存そん器き，一いち共とも会かい消耗しょうもう8000次じCPU循环，从而造成ぞうせい大概たいがい2.5微ほろ秒びょう的てき延のべ迟。
  • NVMe支持しじ同どう时从多核たかく处理器き接受せつじゅ命令めいれい和わ优先处理请求，这在企くわだて业级的てき重じゅう负载时优势明显。
  • NVMe加入かにゅう了りょう自じ动功耗状态切换和动态能のう耗管理かんり功こう能のう。设备从Power State 0闲置50ms后きさき可か以切换到Power State 1；继续闲置的てき话，在ざい500ms后きさき又また会かい进入功こう耗更低ひく的てきPower State 2，切きり换时会かい有ゆう短たん暂延迟。SSD在ざい闲置时可以非常ひじょう快速かいそく的てき控ひかえ制せい在ざい极低的てき水平すいへい，在ざい功こう耗管理かんり上じょうNVMe标准的てきSSD会かい比ひAHCI SSD拥有较大优势。

历史

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2009年ねんIntel开始着手ちゃくしゅ寻找SATA的てき替がえ代だい方案ほうあん。SATA作さく为串行ぎょう接せっ口こう，采さい用ようAHCI规范，其已经成为制约SSD速度そくど的てき瓶びん颈。AHCI只ただ有ゆう1个命令めいれい队列，队列深度しんど32。而NVMe可か以有65535个命令めいれい队列，每まい个队列れつ都と可か以深达65536个命令めいれい。NVMe也充分ぶん使用しよう了りょうMSI的てき2048个中断ちゅうだん向こう量りょう优势，延のべ迟大大だい减小。最新さいしん的てき版本はんぽん是ぜ2.0c；最大さいだい带宽约为16GB/s。[9]

2018年ねん，基き于NVMe的てきSSD已やめ经可以突破とっぱ15TB可用かよう容量ようりょう，读带宽达到6GB/s，100万まんIOPS（4KB随ずい机つくえ读），同どう时保证微秒びょう级延迟。[10] 产品规格：

  • 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）[11]
    • 2.0a（2021年ねん7月がつ）
    • 2.0b（2022年ねん1月がつ）
    • 2.0c（2022年ねん10月がつ）

作さく业系统支援しえん

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Linux内ない核かく的てき存そん储控制せい堆うずたか叠中，NVMe的てき资料路ろ径みち、不同ふどう层面下か多重たじゅう内部ないぶ队列的てき位置いち[12]
9Front
2017年ねん3月がつ30日にち，NVMe驱动程ほど式しき释出并供使用しよう[13]
Chrome OS
2015年ねん2月がつ24日にち，加入かにゅうNVMe驱动至いたり内ない核かく和わ开机载入程ほど式しき，可か从NVMe装置そうち启动Chrome OS[14][15]
DragonFly BSD
DragonFly 4.6开始内ない建けんNVMe驱动程ほど式しき[16]
FreeBSD
Intel赞助开发的てき驱动程ほど式しき已やめ内ない建けん于FreeBSD的てきhead、stable/9分ふん支ささえ中ちゅう。[17][18]nvd(4)和かずnvme(4)驱动程ほど式しき则是在ざい10.2版はんFreeBSD中ちゅう开始预设内ない建けん于其中ちゅう。[19]
Haiku
Haiku已やめ有ゆう驱动开发时程，但ただし是ぜ目前もくぜん仍未完成かんせい[20]
illumos
illumos于2014年ねん10月がつ15日にち获得驱动程ほど式しき支援しえん[21]
iOS
iOS 9开始支援しえん，首しゅ款配备了NVMe介かい面めん的てき装置そうち是ぜiPhone 6S/6S Plus，也是首くび款采用ようNVMe的てき行ぎょう动装置そうち。物理ぶつり介かい面めん和わUFS相あい同どう的てき采さい用ようM-PHY PCIe。接せっ下か来らいApple推出的てきiPad Pro和わiPhone SE也采用よう了りょうNVMe[22]
Linux
NVMe的てき驱动程ほど式しき最早もはや是ぜ英えい特とく尔提供ていきょう的てき，适用于Linux的てき内ない核かく驱动程ほど式しき模も组。[23][24][25]这个模も组在2012年ねん3月がつ19日にち整合せいごう到いたLinux内ない核かく的てき主しゅ线驱动程式しき当とう中ちゅう，Linux内ない核かく3.3版はん开始内ない建けん支援しえん而无需安装そう额外模も组。[26]
NVMe采さい用よう了りょう多た队列设计，最高さいこう支持しじ64k个队列れつ。2014年ねん1月がつ19日にち的てきLinux内ない核かく 3.13版はん开始，block层增加ぞうか了りょうmulti-queue block layer，这一模块可以充分利用多核CPU和わ底そこ层高速そくSSD硬かた件けん资源，主しゅ机つくえCPU的てきI/O提ひさげ交队列れつ可か以与SSD侧的提ひさげ交队列れつ进行绑定，即そく是ぜ说每个CPU核かく可か以与SSD硬かた件けん的てき队列进行1：1或ある者ものn:m（比ひ值取决于硬かた件けん设计）进行配置はいち。对上层应用よう仍然是ぜ通用つうよう的てき块接口こう。从应用よう的てき角度かくど，在ざい某ぼう一いち个CPU Core上じょう产生的てきIO请求，中断ちゅうだん也会在ざい此CPU Core处理, 性能せいのう更さら优。在ざいSSD性能せいのう不ふ是ぜ瓶びん颈的情じょう况下，应用的てき性能せいのう能のう够实现在多核たかく环境下か按照CPU Core的てき数量すうりょう扩展，这点与あずかAHCI的てきCPU单队列れつ访问存そん储设备的机つくえ制せい有ゆう所しょ不同ふどう。
2015年ねん4月がつ12日にち发布的てきLinux内ない核かく 4.0版はん开始，VirtIO区く块层驱动程ほど式しき，SCSI驱动层（与あずかSATA驱动共用きょうよう）、回かい环装置そうち驱动（loop device） UBI（unsorted block images）驱动（供きょう快かい闪记忆体实作区く块擦写うつし管理かんり）以及RBD驱动程ほど式しき（which exports Ceph RADOS objects as block devices）都と被ひ修おさむ改あらため，以适应及适配越来ごえく越えつ多た的てきNVMe装置そうち[27][28][29]
NetBSD
NetBSD在ざい2016年ねん的てき开发版ばん本中ほんなか初步しょほ支援しえんNVMe。[30]
OpenBSD
OpenBSD的てきNVMe驱动程ほど式しき自じ2014年ねん6月がつ开始，由ゆかり此前开发并释出でUSB、AHCI驱动程ほど式しき的てき高だか级开发团队负责。[31]OpenBSD 6.0开始正式せいしき支援しえん。[32]
OS X/macOS
Mac OS X 10.10.3（OS X Yosemite）开始支援しえんNVMe。苹果りんご公司こうし的てきRetina MacBook和わ2016年ねん发布MacBook Pro，配はい备了使用しようNVMe的てきPCIe SSD作さく为主硬かた碟机使用しよう。[33]
Solaris
Solaris自じOracle Solaris 11.2开始支援しえんNVMe。[34]
VMware
英えい特とく尔释出で了りょう供きょうVMWare使用しよう的てきNVMe驱动程ほど式しき，[35]vSphere 6.0以及其后的てき版本はんぽん中ちゅう，均ひとし包含ほうがん了りょう该驱动程式しき，支援しえん多た种NVMe装置そうち。[36]在ざい vSphere 6 update 1 更新こうしん中ちゅう，VMWare的てきVSAN软体模も拟的存そん储子系けい统也开始支援しえんNVMe装置そうち。[37]
Windows
微ほろ软在Windows 8.1和わWindows Server 2012 R2开始，原生げんせい支援しえんNVMe装置そうち。[38][39]同どう时也为Windows 7和わWindows Server 2008 R2提供ていきょう原生げんせい驱动程ほど式しき支援しえん（Windows 7与あずかWindows Server 2008 R2预设不ふ支援しえんNVMe，需由使用しよう者しゃ自じ行くだり下か载获取）。[40]
除じょ了りょう微ほろ软官方かた提供ていきょう的てき驱动程ほど式しき以外いがい，OpenFabrics Alliance也有やゆう维护一套开放原始码的NVMe驱动程ほど式しき，使用しよう于Windows 7、8、8.1、10以及Windows Server 2008 R2、2012、2012 R2，这套驱动程ほど式しき由よし数すう个加入かにゅう了りょうNVMe工作こうさく组的公司こうし开发，包括ほうかつIDT、英えい特とく尔以及LSI。[41] 当とう前ぜん版本はんぽん为2016年ねん12月发布的てき1.5。[42]

参まいり见

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参考さんこう资料

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  1. ^ Compare: NVM Express. NVM Express, Inc. [2017-01-24]. （原始げんし内容ないよう存そん档于2017-02-07）. NVMe™ is designed from the ground up to deliver high bandwidth and low latency storage access for current and future NVM technologies. 
  2. ^ Drew Riley. Intel SSD DC P3700 800GB and 1.6TB Review: The Future of Storage. tomshardware.com. 2014-08-13 [2014-11-21]. 
  3. ^ Intel Solid-State Drive DC P3600 Series (PDF). Intel: 18, 20–22. 2015-03-20 [2015-04-11]. （原始げんし内容ないよう存そん档 (PDF)于2015-04-02）. 
  4. ^ Paul Alcorn. SFFWG Renames PCIe SSD SFF-8639 Connector To U.2. Tom's Hardware. 2015-06-05 [2015-06-09]. 
  5. ^ Dave Landsman. AHCI and NVMe as Interfaces for SATA Express Devices – Overview (PDF). SATA-IO. 2013-08-09 [2013-10-02]. （原始げんし内容ないよう存そん档 (PDF)于2013-10-05）. 
  6. ^ Walker, Don H. A Comparison of NVMe and AHCI (PDF). 31 July 2012. SATA-IO. [3 July 2013]. （原始げんし内容ないよう存そん档 (PDF)于2019-02-12）. 
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  19. ^ FreeBSD 10.2-RELEASE Release Notes. The FreeBSD Project. [5 August 2015]. （原始げんし内容ないよう存そん档于2017-06-18）. 
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  42. ^ 存そん档副本ふくほん. [2017-08-22]. （原始げんし内容ないよう存そん档于2017-05-10）. 

外部がいぶ链接

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维基共ども享とおる资源上うえ的てき相しょう关多媒体ばいたい资源：NVM Express
一般いっぱん
标准
存そん储
外そと围
音おと讯
可か移うつり动
嵌入かんにゅう式しき
  • 注ちゅう：接せっ口こう依よ大だい致速度そくど增ぞう序じょ排列はいれつ，每まい节最后きさき列れつ出で的てき接せっ口こう应该是ぜ最さい快かい的てき
关键术语
闪存制せい造づくり商しょう
控ひかえ制せい器き开发商しょう
独立どくりつ开发商しょう
附属ふぞく开发商しょう
固かた态硬碟制造づくり商しょう
汇流排はい及传输协定じょう
外そと观结构配置はいち及
连接介かい面めん
相あい关组织机构
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