NVMe到底是什麼?用它的SSD有啥優勢?


2015-8-20 14:00  |  作者:Strike   |  關鍵字:NVMe,SSD,PCI-E SSD,超能課堂

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有關注SSD的朋友應該今年聽到NVMe這個詞的頻率應該不低,隨着高端SSD的戰場已經拋棄SATA向PCI-E轉移,老舊的AHCI標準已經不合時宜, 未來是屬於NVMe的,那麼NVMe到底是啥呢?

有玩過SSD的朋友應該都清楚想要讓SSD發揮出真正實力的話要去BIOS裏面把SATA控制器模式切換成AHCI,對SATA設備來說使用AHCI模式的確是正確的選擇,切換成AHCI可獲得更好的性能。但是現在最新存儲接口M.2和SATA-E接口走的都是PCI-E通道,對於PCI-E來說AHCI可不是一個好的選擇,想發揮最佳性能其實需要新的標準——NVMe。


Intel 750就是NVMe SSD的代表作

有關注SSD的朋友應該今年聽到NVMe這個詞的頻率應該不低,這個原本只在企業級產品上應用的標準在Intel與三星的推動下現在已經進入消費級市場了,隨着高端SSD的戰場已經向PCI-E和M.2接口轉移,老舊的AHCI標準已經不合時宜,越來越多的主控廠商推出支持NVMe的主控,未來也會有更多支持NVMe標準的SSD推向市場,那麼NVMe到底是啥呢?

如果說AHCI的話大家應該會了解多一點,NVMe其實與AHCI一樣都是邏輯設備接口標準(是接口標準,不是接口!不是接口!不是接口!因爲很重要所以說三次),NVMe全稱Non-Volatile Memory Express,非易失性存儲器標準,是使用PCI-E通道的SSD一種規範,NVMe的設計之初就有充分利用到PCI-E SSD的低延時以及並行性,還有當代處理器、平臺與應用的並行性。SSD的並行性可以充分被主機的硬件與軟件充分利用,相比於現在的AHCI標準,NVMe標準可以帶來多方面的性能提升。

NVMe的由來

現在所用的SATA接口與AHCI標準其實是爲高延時的機械硬盤而設計的,目前主流SSD依然繼續使用它們,早期SSD性能不高時可能還不覺得有什麼問題,但是隨着SSD的性能逐漸增強,這些標準已經成爲限制SSD的一大瓶頸,專爲機械硬盤而設計的AHCI標準並不太適合低延時的SSD。

當然,業界早就意識到這一問題,2009年下半年,關於NVMe的技術工作正式啓動,NVMe規範由包含90多家公司在內的工作小組所定製,Intel是主要領頭人,小組成員包括美光、戴爾、三星、Marvell、NetAPP、EMC、IDT等公司,目的就是爲SSD建立新的存儲規範標準,讓它在老舊的SATA與AHCI中解放出來。

2011年,NVMe標準正式出爐,該標準是根據閃存存儲的特點量身定製的,新的標準解除了舊標準施放在SSD上的各種限制。2012年標準升級到NVMe 1.1,最新的NVMe 1.2標準是在2014所推出的。

首款支持NVMe標準的產品是三星XS1715,與2013年7月所發佈,隨後陸續有企業級的NVMe標準SSD推出,直到今年Intel 750發佈,NVMe標準的產品纔開始進入消費級市場。

NVMe的優勢一:低延時

說到NVMe標準對比AHCI標準的優勢,其中之一就是低延時,看上圖比較直觀,NVMe標準是面向PCI-E SSD的,使用原生PCI-E通道與CPU直連可以免去SATA與SAS接口的外置控制器(PCH)與CPU通信所帶來的延時。

在軟件層方面,NVMe標準的延時只有AHCI的一半不到,NVMe精簡了調用方式,執行命令時不需要讀取寄存器;而AHCI每條命令則需要讀取4次寄存器,一共會消耗8000次CPU循環,從而造成大概2.5微秒的延遲。


更低的延時可讓SSD的4KB QD1傳輸能力暴漲

NVMe的優勢二:IOPS大增

另外NVMe也大大的提升了SSD的IOPS性能,在制定AHCI規範時並行性的想法並沒有完全融合到規範內,利用NCQ功能可以對傳輸能力進行優化,但是接口並不允許SSD真正最大限度地發揮其應有的並行性。

現在SSD測試通常最多隻會測試到隊列深度爲32的IOPS能力,其實終究原因這是AHCI的上限,其實許多閃存主控可以提供更好的隊列深度。而NVMe則可以把最大隊列深度從32提升到64000,SSD的IOPS能力也會得到大幅提升。

NVMe還支持同一時間從多核處理器接受命令和優先處理請求,這個特性在企業級的重負載時優勢就會顯露出來。

低延時和良好的並行性的優勢就是可以讓SSD的隨機性能得到大幅度提升,我們測試過的Intel 750就是一塊NVMe SSD,它的隨機性能表現絕對是一流的,在任何隊列深度下都能發揮出極佳的速度。

NVMe的優勢三:功耗更低

NVMe加入了自動功耗狀態切換和動態能耗管理功能,設備從Power State 0閒置50ms後可以切換到Power State 1,繼續閒置的話,在500ms後又會進入功耗更低的Power State 2,切換時會有短暫延遲。SSD在閒置時可以非常快速的控制在極低的水平,在功耗管理上NVMe標準的SSD會比現在主流的AHCI SSD擁有較大優勢,這一點對移動設備來說尤其重要,可以顯著增加筆記本和平板電腦的續航能力。

NVMe的優勢四:驅動適用性廣

驅動程序的兼容性也是所有PCI-E SSD的一個共有問題,每個產品都有對應不同系統的專用驅動,這方面有些廠商做的非常出色,而另一些則 不怎麼樣,然而許多PCI-E SSD需要加載驅動才能夠正常引導。

NVMe標準的出現解決了這個問題,NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平臺、系統,無需廠家提供相應的驅動就可以正常工作,目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對NVMe SSD的支持。當然Intel的產品擁有自己的驅動程序,不安裝Intel驅動的話SSD能正常工作,但是性能不能完全發揮,之前測試Intel 750時就有這個問題,其他廠商的不知道怎麼樣。

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