NVMe (non-volatile memory express) je hostitelský řadič rozhraní a ukládání protokolu vytvořen s cílem urychlit rychlost přenosu dat mezi podnikové a klientské systémy, a solid-state disky (Ssd) přes počítače je vysokorychlostní Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) autobus.
Jako solid-state technologie se stala preferovaným médiem na trhu storage, to rychle jasné, že stávající rozhraní a protokoly-zejména, Serial Advanced Technology Attachment (SATA) i Serial-Attached SCSI (SAS) — nebyly vhodné, a to zejména v prostředí datových center. Práce na novém protokolu navrženém speciálně pro NAND flash začaly již v roce 2007 a Intel se ujal vedení. Na začátku roku 2011 byla vydána původní specifikace NVMe-na vývoji se podílelo téměř 100 technologických společností.
SPECIFIKACE NVMe definuje rozhraní registru, sadu příkazů a sbírku funkcí pro SSD založené na PCIe s cílem vysokého výkonu a interoperability v široké škále subsystémů NVM. SPECIFIKACE NVMe nestanoví konečný model použití, jako je SSD úložiště, hlavní paměť, vyrovnávací paměť nebo záložní paměť.
NVMe nabízí alternativu k Small Computer System Interface (SCSI) standardní a ATA standard pro připojení a přenos dat mezi hostitelským systémem a periferní cílové zařízení úložiště. Sada příkazů ATA používaná se SATA SSD a sada příkazů SCSI pro SAS SSD byly vyvinuty v době, kdy byly primární paměťové médium pevné disky (HDD) a páska. NVMe byl navržen pro použití s rychlejšími médii.
hlavní výhody NVMe na bázi PCIe Ssd přes SAS-based a SATA Ssd založené na sníží latence v host software stack, vyšší input/output operací za sekundu (IOPS), a potenciálně nižší spotřebu energie, v závislosti na tvaru a faktor počtu PCIe lanes v použití.
protokol NVMe může podporovat SSD, které používají různé typy energeticky nezávislé paměti, včetně NAND flash a technologie 3D XPoint vyvinuté společností Intel a Micron Technology. Referenční ovladače NVMe jsou k dispozici pro různé operační systémy (OS), včetně Windows a Linux.
NVMe neumožňuje pouze rychlejší a efektivnější běh stávajících aplikací; to je vlastně klíčový pro nové a rozvíjející se technologie a aplikace jako je například internet věcí (IoT), umělá inteligence (AI) a strojové učení (ML), které mohou využívat nízkou latenci a vysoký výkon NVMe-attached storage.
jak NVMe funguje
NVMe mapuje příkazy vstupu/výstupu (I/O) a odpovědi na sdílenou paměť v hostitelském počítači přes rozhraní PCIe. Rozhraní NVMe podporuje paralelní I / O s vícejádrovými procesory, které usnadňují vysokou propustnost a zmírňují úzká místa centrální procesorové jednotky (CPU).
NVMe nabízí efektivnější sadu příkazů pro zpracování I / o požadavku než sady příkazů SCSI a ATA. NVMe vyžaduje méně než polovinu počtu instrukcí CPU než SCSI příkazová sada se zařízeními SAS a sada příkazů ATA používá s jednotkami SATA.
NVMe Ssd vs SATA Ssd
SATA je komunikační protokol vyvinutý pro počítače komunikovat s HDD storage systémů. Představený v 2000 skupinou hlavních technologických hráčů, SATA nahradil paralelní ATA a rychle se stal všudypřítomným protokolem úložného systému pro počítače od notebooků po servery. V průběhu let byly revize SPECIFIKACE vylepšeny a v současné době běží na 6 Gbps s efektivní propustností až 600 MBps.
i když vyvinut pro pevný disk, technologie s mechanickou rotujících ploten a pohon-řízené čtení/zápis hlavy, brzy Ssd byly uváděny na trh s SATA rozhraní využít stávající SATA ekosystému. Byl to pohodlný design a pomohl urychlit přijetí SSD, ale nebyl-a stále není-ideálním rozhraním pro paměťová zařízení NAND flash a byl stále více vnímán jako úzký profil systému.
navrženo pro flash, rychlost NVMe a nízká latence zanechávají SATA v prachu a NVMe umožňuje mnohem vyšší úložné kapacity v menších tvarových faktorech, jako je M.2. Obecně platí, že parametry výkonu NVMe překonávají parametry SATA pětkrát nebo vyšší.
SATA může být více založena s delší historií a nižší náklady na implementaci než NVMe, ale je jasné, že pevný disk technologie, která byla dodatečně do více moderních paměťových médií.
NVMe Ssd vs. SAS Ssd
NVMe podporuje 64,000 příkazy v jedné fronty zpráv a maximálně 65 535 I/O fronty. Naproti tomu hloubka fronty zařízení SAS obvykle podporuje až 256 příkazů a jednotka SATA Podporuje až 32 příkazů v jedné frontě.
nicméně, NVMe na bázi PCIe SSD jsou v současné době dražší než SAS-a SATA na bázi SSD ekvivalentní kapacity; ačkoli, že delta se zužuje. Také high-end enterprise NVMe SSD může spotřebovat více energie než Sas nebo SATA SSD. SCSI Trade Association tvrdí, zralejší SAS Ssd disky nabízejí další výhody oproti NVMe PCIe Ssd, jako je větší škálovatelnost, horké pluggability a čas-testovány převzetí služeb při selhání schopnosti. NVMe PCIe SSD také může poskytnout úroveň výkonu, že mnoho aplikací nevyžadují.
Historie a vývoj NVM Express
Non-Volatile Memory Host Controller Interface (NVMHCI) Pracovní skupiny se začala rozvíjet NVMe specifikace v roce 2009 a zveřejněna verze 1.0 1. Března, 2011. K 1.SPECIFIKACE 0 zahrnovala rozhraní fronty, sadu příkazů NVM, sadu příkazů správy a bezpečnostní funkce.
pracovní skupina NVMHCI, běžně známá jako pracovní skupina NVM Express, vydala aktualizaci SPECIFIKACE NVMe v říjnu. 11, 2012. NVMe 1.1 Přidána podpora pro SSD s více PCIe porty, aby multipath I / O a namespace sdílení. Další nové funkce zahrnuty autonomní výkon státní přechody během nečinnosti ke snížení energetických potřeb a rezervace umožňuje dva nebo více hostitelů koordinovat přístup ke sdíleným jmenný prostor pro zlepšení odolnosti proti chybám.
NVM Express Pracovní skupiny se konalo první Plugfest v Květnu 2013 umožnit společnostem, aby otestovat své výrobky v souladu s NVMe specifikace a ověřit interoperabilitu s jinými NVMe produkty.
pracovní skupina NVM Express byla založena pod názvem organizace NVM Express v březnu 2014. Zakládajících členů v té době součástí Cisco Systems, Dell, EMC, Western Digital dceřiná společnost HGST, Intel, LSI, Micron Technology, NetApp, Oracle, PMC-Sierra, Samsung Electronics, SanDisk a Seagate Technology.
organizace NVM Express se později stala známou jednoduše jako NVM Express Inc. Nezisková organizace má jako členy více než 100 technologických společností.
SPECIFIKACE NVMe 1.2 se objevila v listopadu. 3, 2014, s vylepšeními, jako je podpora živých aktualizací firmwaru, Vylepšená správa napájení a možnost end-to-end ochrany dat.
na nově. 17, 2015, NVM Express organizace ratifikovala 1.0 verze ze NVM Express Rozhraní pro Správu (NVMe-MI) poskytovat architekturu a sadu příkazů pro správu non-volatile paměťový subsystém z kapely. NVMe-MI umožňuje řídícímu řadiči provádět úkoly, jako je zjišťování zařízení SSD a schopností, sledování stavu a teploty a nedisruptivní aktualizace firmwaru. Bez NVMe-MI se IT manažeři obecně spoléhali na proprietární rozhraní pro správu specifických pro dodavatele, aby umožnili správu PCIe SSD.
NVMe 1.3 vylepšení funkcí
NVM Express vydala NVMe 1.V červnu 2017 3. Highlights center on sanitize operations, nový rámec známý jako směrnice a vylepšení virtualizace.
při dezinfekci jsou všechna uživatelská data v subsystému NVMe upravena tak, aby obnovení nebylo možné „z žádné mezipaměti, netěkavých médií nebo vyrovnávací paměti paměti řadiče“, podle referenčního listu NVM Express. Operace dezinfekce se doporučují, když je SSD vyřazen nebo znovu použit pro nový případ použití. Režimy Sanitize zahrnují mazání bloků na nízké úrovni na médiích NAND, krypto-vymazání pro změnu šifrovacího klíče médií a přepsání.
rámec směrnic definuje mechanismus výměny dat mezi hostitelem a subsystémem NVMe. To umožňuje označování příkazů per-I/O a dává správcům IT možnost konfigurovat vykazovatelné atributy a nastavení.
první použití směrnic je funkce nazvaná Streams pro optimalizaci umístění dat pro zvýšení vytrvalosti a výkonu NAND SSD. Tradičně, než budou nová data zapsána na SSD, musí být nejprve vymazány velké bloky dat.
funkce streamů umožňuje hostiteli použít „identifikátor streamu“ k označení konkrétních logických bloků úložiště, které patří do skupiny přidružených dat. To umožňuje, aby čtení nebo zápis byly označeny souvisejícími daty uloženými na jiných místech.
vylepšení virtualizace definují, jak lze NVMe flash použít v prostředí sdíleného úložiště, kde jsou přítomny fyzické i virtuální řadiče, včetně řadičů primárního úložiště a řadičů sekundárního úložiště. NVM Express uvedl, že cílem je umožnit vývojovým týmům věnovat konkrétní SSD konkrétnímu virtuálnímu stroji (VM).
vylepšení funkcí NVMe 1.4
NVMe 1.4 byla představena v červenci 2019. Tato nejnovější verze obsahuje řadu vylepšení a nových funkcí, včetně:
- Rebuild Assist zlepšuje obnovu dat a zvyšuje migraci dat operace.
- trvalý protokol událostí udržuje podrobnou historii jednotky, kterou lze použít pro ladění a určení příčin problémů.
- NVM sady a IO determinismus zlepšují výkon a kvalitu služeb (QoS).
- Asymmetric Namespace Access (ANA) zvyšuje multipathing pro vysokou dostupnost.
- vyrovnávací paměť hostitele (HMB) snižuje latenci a pomáhá při návrhu SSD.
- Trvalé Paměti Regionu (PMR) umožňuje hostitelské systémy pro čtení a zápis přímo do dynamické paměti s libovolným přístupem (DRAM), že Ssd patří spolu s jejich základní blesk, který byl používán především pro ukládání do mezipaměti
nové funkce bude vyžadovat flash disk výrobců na upgrade svých produktů začlenit vylepšení. Nové ovladače budou také vyžadovány pro operační systémy.
NVMe tvoří faktory a standardy
nutnost skladování rozhraní a protokol pro lepší využití NAND flash je výkonnostní potenciál v enterprise prostředí, byl hlavní hybnou silou vývoje NVMe spec. Reimagining standardu připojení však otevřel dveře několika různým typům implementací rozhraní, které by mohly zůstat v mezích nové specifikace a zároveň nabízet různé možnosti implementace.
v krátkém pořadí se objevila řada tvarových faktorů flash vyhovujících specifikacím NVMe, včetně konvenčních doplňkových karet (AIC) pro sběrnici PCIe a nových tvarových faktorů pro SSD dabované m. 2 a U.2.
- AIC. AIC form factor umožňuje výrobci vytvářet své vlastní karty, které slot na PCIe sběrnici bez obav o úložný prostor vzorů nebo podobných omezení. Karty jsou často určeny pro speciální případy použití a mohou obsahovat další procesory a další čipy pro zvýšení výkonu pevného úložiště.
- M.2. M.2 form factor byl vyvinut s cílem využít kompaktní velikosti NAND flash a nízkého tepelného výboje. Jako takový, M. 2 zařízení nejsou určeny, aby se vešly do tradičního drive bay prostory, ale spíše být nasazen v mnohem menších prostorech. Často popisován jako o velikosti žvýkačky, M. 2 Ssd opatření 22mm široký a obecně 80mm dlouhé, i když některé produkty mohou být delší nebo kratší.
- u.2. Na rozdíl od M. 2 form factor, U. 2 Ssd disky jsou navrženy tak, aby se vešly do stávající skladovací zálivy původně určené pro standardní SATA nebo SAS zařízení. U.2 SSD vypadají velmi podobně jako starší média, protože obvykle používají skříně 2.5-inch nebo 3.5-inch, které jsou známými kryty pro pevné disky. Záměrem samozřejmě bylo co nejjednodušší implementovat technologii NVMe s co nejmenším reengineeringem.
Další, méně široce nasazené NVMe form factor je enterprise a data center SSD form factor, nebo EDSFF. Je podporován klíčovými hráči v oboru úložiště, jako jsou Intel, Dell EMC, Hewlett Packard Enterprise (HPE), Lenovo, Samsung a další. Cílem EDSFF je přinést vyšší výkon a kapacity do podnikových úložných systémů. Snad nejznámějším příkladem edsff flash je Intel E1.L (dlouhá) a E1.S (krátké) flash zařízení, které jsou poskytovány v tom, co bylo původně označováno jako“ pravítko “ form factor.
NVMe over Fabric
NVM Express Inc. Publikováno verze 1.0 specifikace NVMe over Fabric (NVMe-oF) V červnu 5, 2016. NVMe-z je navržen tak, aby rozšířit high-výkon a nízkou latencí výhody NVMe přes síť tkaniny, které připojení serverů a systémů pro ukládání dat, jako je například Fibre Channel (FC), Ethernet a InfiniBand.
Textilní transporty zahrnují NVM-z pomocí vzdáleného přímého přístupu do paměti (RDMA) a NVMe-z mapované na FC. Technická podskupina NVM Express Inc. pracoval na NVMe – oF S RDMA a Výbor T11 Mezinárodního výboru pro standardy informačních technologií (INCITS) je zodpovědný za vývoj NVMe přes FC (FC-NVMe).
SPECIFIKACE NVMe-oF je do značné míry stejná jako SPECIFIKACE NVMe. Jedním z hlavních rozdílů mezi NVMe-oF a NVMe je metodika pro přenos a příjem příkazů a odpovědí. NVMe je určen pro místní použití a mapuje příkazy a reakce na sdílenou paměť počítače přes PCIe. Naopak, NVMe přes Tkaniny zaměstnává zprávu systém založený na komunikaci mezi hostitelským počítačem a cílové zařízení úložiště.
uvedené cíl návrhu pro NVMe-bylo přidat ne více než 10 mikrosekund latence pro komunikaci mezi NVMe hostitelského počítače a sítě-připojen NVMe storage zařízení, v porovnání s latencí asociovaný s NVMe storage zařízení pomocí místního počítače PCIe sběrnice.