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NVM Express

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非易失性内存主机控制器接口工作组
NVM Express logo.svg
簡稱 NVMe
成立時間 2011年,​6年前​(2011
網站 www.nvmexpress.org

NVM ExpressNVMe),或称非易失性内存主机控制器接口规范(Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification (NVMHCIS))一个逻辑设备接口规范英语Functional specification。它是與AHCI類似的、基於裝置邏輯界面的匯流排傳輸協定規範,用于访问通过PCI Express(PCIe)总线附加的非揮發性記憶體介质(例如採用快閃記憶體固態硬碟機)。

NVM代表非揮發性記憶體(non-volatile memory)的首字母縮略字,这是固态硬盘(SSD)的常见的闪存形式。此規範主要是為基於快閃記憶體的存儲裝置提供一個低延時、內部並行化的原生界面規範,也為現代CPU、電腦平台及相關應用提供原生存儲並行化的支援[1],令主機硬體和軟體可以充分利用固態存儲裝置的並列化存儲能力。相比此前機械硬碟機(HDD)時代的AHCI,NVMe/NVMHCI降低了I/O操作等待時間、提升同一時間內的操作數、更大容量的操作隊列等。

依託於PCIe匯流排,NVMe裝置可適用於各種支援PCIe匯流排的物理插槽上,包括標準尺寸的PCIe扩展卡英语Expansion card(一般是4個PCIe通道)[2]、採用U.2物理連接界面(SFF-8639)的2.5英寸/3.5英寸標準尺寸固態硬碟機、[3][4]SATA Express匯流排(相容於PCIe)的裝置、M.2規格擴展卡等。[5][6]

此規範由「Non-Volatile Memory Host Controller Interface Working Group」(非揮發性記憶體主機控制器界面工作組)負責管理。

背景[编辑]

历史上,大多数SSD使用如SATASAS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已成为个人电脑中连接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。[7]随着在大众市场的流行,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。

在NVMe出现之前,高端SSD只得以采用PCI Express总线制造,但需使用非标准规范的接口。若使用标准化的SSD接口,操作系统只需要一个驱动程序就能使用符合规范的所有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。[8]

截至2014年9月,在光纤通道(FC)上使用NVMe的新标准也正在开发。[9]

历史[编辑]

2009年Intel开始着手寻找SATA的替代方案。SATA作为串行接口,采用AHCI规范,其已经成为制约SSD速度的瓶颈。AHCI只有1个命令队列,队列深度32.而NVMe可以有65535个命令队列,每个队列都可以深达65536个命令。NVMe也充分使用了MSI的2048个中断向量优势,延迟大大减小。

2011年有了1.0。最新的版本是1.2.1;最大带宽为11.6Gbps,约为1200MB/s。

作業系統支援[编辑]

Linux內核的存儲控制堆疊中,NVMe的資料路徑、不同層面下多重內部隊列的位置[10]
9Front
2017年3月30日,NVMe驅動程式釋出並供使用[11]
Chrome OS
2015年2月24日,加入NVMe驅動至內核和開機載入程式,可從NVMe裝置啟動Chrome OS[12][13]
DragonFly BSD
DragonFly 4.6開始內建NVMe驅動程式[14]
FreeBSD
Intel贊助開發的驅動程式已內建於FreeBSD的head、stable/9分支中。[15][16]nvd(4)和nvme(4)驅動程式則是在10.2版FreeBSD中開始預設內建於其中。[17]
Haiku
Haiku已有驅動開發時程,但是目前仍未完成[18]
illumos
illumos於2014年10月15日獲得驅動程式支援[19]
iOS
iOS 9開始支援,首款配備了NVMe介面的裝置是iPhone 6S/6S Plus,也是首款採用NVMe的行動裝置。物理介面和UFS相同的採用M-PHY PCIe。接下來Apple推出的iPad ProiPhone SE也採用了NVMe[20]
Linux
NVMe的驅動程式最早是英特爾提供的,適用於Linux的內核驅動程式模組。[21][22][23]這個模組在2012年3月19日整合到Linux內核的主線驅動程式當中,Linux內核3.3版開始內建支援而無需安裝額外模組。[24]
2014年1月19日的Linux內核 3.13版開始,加入由Fusion-io開發的blk-multiqueue或稱blk-mq模組,是為「可變區塊層」(scalable block layer),用於NVMe SSD。This leverages the performance offered by SSDs and NVM Express, by allowing much higher I/O submission rates. With this new design of the Linux kernel block layer, internal queues are split into two levels (per-CPU and hardware-submission queues), thus removing bottlenecks and allowing much higher levels of I/O parallelization.[25][26][27]
2015年4月12日發佈的Linux內核 4.0版開始,VirtIO區塊層驅動程式,SCSI驅動層(與SATA驅動共用)、回環裝置驅動(loop device) UBI(unsorted block images)驅動(供快閃記憶體實作區塊擦寫管理)以及RBD驅動程式(which exports Ceph RADOS objects as block devices)都被修改,以適應及適配越來越多的NVMe裝置[28][29][30]
NetBSD
NetBSD在2016年的開發版本中初步支援NVMe。[31]OpenBSD則是在其6.0版時釋出了NVMe的驅動程式。
OpenBSD
OpenBSD的NVMe驅動程式自2014年6月開始,由此前開發並釋出USBAHCI驅動程式的高級開發團隊負責。[32]OpenBSD 6.0開始正式支援。[33]
OS X/macOS
Mac OS X 10.10.3(OS X Yosemite)開始支援NVMe。蘋果公司的Retina MacBook和2016年發佈MacBook Pro,配備了使用NVMe的PCIe SSD作為主硬碟機使用。[34]
Solaris
Solaris自Oracle Solaris 11.2開始支援NVMe。[35]
VMware
英特爾釋出了供VMWare使用的NVMe驅動程式,[36]vSphere 6.0以及其後的版本中,均包含了該驅動程式,支援多種NVMe裝置。[37]在 vSphere 6 update 1 更新中,VMWare的VSAN軟體模擬的存儲子系統也開始支援NVMe裝置。[38]
Windows
微軟在Windows 8.1Windows Server 2012 R2開始,原生支援NVMe裝置。[39][40]同時也為Windows 7Windows Server 2008 R2提供原生驅動程式支援(需由使用者自行下載獲取)[41]
除了微軟官方提供的驅動程式以外,OpenFabrics Alliance也有維護一套開放原始碼的NVMe驅動程式,使用於Windows 7、8、8.1、10以及Windows Server 2008 R2、2012、2012 R2,這套驅動程式由數個加入了NVMe工作組的公司開發,包括IDT、英特爾以及LSI[42] The current release is 1.5 from December 2016.[43]

參見[编辑]

備註[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Compare: NVM Express. NVM Express, Inc. [2017-01-24]. 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]. 
  4. ^ Paul Alcorn. SFFWG Renames PCIe SSD SFF-8639 Connector To U.2. Tom's Hardware. 2015-06-05 [2015-06-09]. 
  5. ^ 引用错误:没有为名为ahci-nvme的参考文献提供内容
  6. ^ Paul Wassenberg. SATA Express: PCIe Client Storage (PDF). SATA-IO. 2013-06-25 [2014-11-21]. 
  7. ^ Walker, Don H. A Comparison of NVMe and AHCI (PDF). 31 July 2012. SATA-IO. [3 July 2013]. 
  8. ^ NVM Express Explained (PDF). 9 April 2014 [21 March 2015]. 
  9. ^ Fibre Channel Industry Association Collaborating with NVM Express, Inc. to Define New Standard for Fabric-Based Solid-State Storage Devices (新闻稿). 
  10. ^ Werner Fischer; Georg Schönberger. Linux Storage Stack Diagram. Thomas-Krenn.AG. 2015-06-01 [2015-06-08]. 
  11. ^ hg/plan9front:sys/src/9/pc/sdnvme.c. 
  12. ^ NVM Express  » ChromeOS adds boot support for NVM Express. nvmexpress.org. [21 March 2015]. 
  13. ^ 4f503189f7339c667b045ab80a949964ecbaf93e - chromiumos/platform/depthcharge - Git at Google. googlesource.com. [21 March 2015]. 
  14. ^ DragonFly BSD 4.6. www.dragonflybsd.org. [2016-09-08]. 
  15. ^ Log of /head/sys/dev/nvme. FreeBSD source tree. The FreeBSD Project. [16 October 2012]. 
  16. ^ Log of /stable/9/sys/dev/nvme. FreeBSD source tree. The FreeBSD Project. [3 July 2013]. 
  17. ^ FreeBSD 10.2-RELEASE Release Notes. The FreeBSD Project. [5 August 2015]. 
  18. ^ #9910 NVMe devices support. dev.haiku-os.org. [2016-07-28]. 
  19. ^ 4053 Add NVME Driver Support to Illumos. github.com. [2016-05-23]. 
  20. ^ Ho, Joshua. iPhone 6s and iPhone 6s Plus Preliminary Results. www.anandtech.com. [2016-06-01]. 
  21. ^ Matthew Wilcox. NVM Express driver. LWN.net. 2011-03-03 [2013-11-05]. (原始内容存档于2012-07-17). 
  22. ^ Keith Busch. Linux NVMe Driver (PDF). flashmemorysummit.com. 2013-08-12 [2013-11-05]. 
  23. ^ IDF13 Hands-on Lab: Compiling the NVM Express Linux Open Source Driver and SSD Linux Benchmarks and Optimizations (PDF). activeevents.com. 2013 [2014-01-11]. (原始内容 (PDF)存档于2014-01-11). 
  24. ^ Merge git://git.infradead.org/users/willy/linux-nvme. kernel.org. 2012-01-18 [2013-11-05].  参数|title=值左起第7位存在删除符 (帮助)
  25. ^ Linux kernel 3.13, Section 1.1 A scalable block layer for high-performance SSD storage. kernelnewbies.org. 2014-01-19 [2014-01-25]. 
  26. ^ Jonathan Corbet. The multiqueue block layer. LWN.net. 2013-06-05 [2014-01-25]. 
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  28. ^ Linux kernel 3.18, Section 1.8. Optional multiqueue SCSI support. kernelnewbies.org. 2014-12-07 [2014-12-18]. 
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  30. ^ Linux Multi-Queue Block IO Queueing Mechanism (blk-mq) - Device Drivers. thomas-krenn.com. 2015-06-08 [2015-06-08]. 
  31. ^ nvme -- Non-Volatile Memory Host Controller Interface. NetBSD manual pages. 2016-01-01 [2016-09-02]. 
  32. ^ David Gwynne. non volatile memory express controller (/sys/dev/ic/nvme.c). BSD Cross Reference. 2014-04-16 [2014-04-27]. 
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  34. ^ Faster 'NVM Express' SSD Interface Arrives on Retina MacBook and OS X 10.10.3. macrumors.com. [11 April 2015]. 
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  36. ^ Intel Solid-State for NVMe Drivers. intel.com. 2015-09-25 [2016-03-17]. 
  37. ^ VMware Compatibility Guide for NVMe devices. vmware.com. [2016-03-17]. 
  38. ^ VSAN Now Supporting NVMe Devices. vmware.com. 2015-11-11 [2016-03-17]. 
  39. ^ 引用错误:没有为名为snia-windows的参考文献提供内容
  40. ^ Windows 8.1 to support hybrid disks and adds native NVMe driver. Myce.com. 2013-09-06 [2014-01-11]. 
  41. ^ Update to support NVM Express by using native drivers in Windows 7 or Windows Server 2008 R2. Microsoft. 2014-11-13 [2014-11-17]. 
  42. ^ Windows NVM Express. Project web site. [September 18, 2013]. (原始内容存档于2013年6月12日). 
  43. ^ https://svn.openfabrics.org/svnrepo/nvmewin/releases/

外部連結[编辑]