NVMe (non-volatile memory express) on isäntäohjaimen käyttöliittymä ja tallennusprotokolla, joka on luotu nopeuttamaan tiedon siirtonopeutta yritys-ja asiakasjärjestelmien ja solid-state Drivesin (SSD) välillä tietokoneen suurnopeuksisen Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) – väylän yli.
koska solid-state-teknologiasta tuli ensisijainen tallennusmarkkinoiden väline, kävi nopeasti selväksi, että olemassa olevat liitännät ja protokollat-erityisesti serial Advanced Technology Attachment (SATA) ja Serial-Attached SCSI (SAS) – eivät olleet sopivia, erityisesti datakeskusympäristöissä. Uuden, erityisesti NAND Flashille suunnitellun protokollan työstäminen alkoi jo vuonna 2007, jolloin Intel otti ohjat käsiinsä. Vuoden 2011 alussa julkaistiin Alkuperäinen NVMe spec — lähes 100 teknologiayritystä oli mukana kehityksessä.
NVMe-spesifikaatiossa määritellään PCIe-pohjaisten SSD-levyjen rekisteriliittymä, komentosarja ja ominaisuuksien kokoelma, jonka tavoitteena on korkea suorituskyky ja yhteentoimivuus monissa NVM-alajärjestelmissä. NVMe-spesifikaatiossa ei määrätä lopullisesta käyttömallista, kuten solid-state-tallennustilasta, päämuistista, välimuistista tai varmuuskopiomuistista.
NVMe tarjoaa vaihtoehdon Small Computer System Interface (SCSI) – standardille ja Ata-standardille tietojen yhdistämiseksi ja siirtämiseksi isäntäjärjestelmän ja oheiskohteiden tallennuslaitteen välillä. SATA SSD-levyjen kanssa käytössä oleva ATA-komentosarja ja SAS-SSD-levyjen SCSI-komentosarja kehitettiin aikana, jolloin kiintolevyt (HDD) ja nauha olivat ensisijaisia tallennusvälineitä. NVMe suunniteltiin käytettäväksi nopeamman median kanssa.
NVMe-pohjaisten PCIe-SSD-levyjen tärkeimmät edut verrattuna SAS-pohjaisiin ja SATA-pohjaisiin SSD-levyihin ovat pienempi latenssi isäntäohjelmistopinossa, suurempi tulo / lähtö-toiminta sekunnissa (IOPS) ja mahdollisesti pienempi virrankulutus, riippuen lomakekertoimesta ja käytössä olevien PCIe-kaistojen määrästä.
NVMe-protokolla voi tukea SSD-levyjä, jotka käyttävät erityyppistä haihtumatonta muistia, kuten NAND Flashia ja Intelin ja Micron Technologyn kehittämää 3D XPoint-teknologiaa. NVMe-viiteajureita on saatavilla useille käyttöjärjestelmille (OSes), kuten Windowsille ja Linuxille.
NVMe ei vain mahdollista olemassa olevien sovellusten nopeampaa ja tehokkaampaa toimintaa; se on itse asiassa keskeinen mahdollistaja uudemmille ja kehittyville teknologioille ja sovelluksille, kuten esineiden internet (IoT), tekoäly (AI) ja koneoppiminen (ML), jotka kaikki voivat hyötyä NVMe-liitetyn tallennustilan alhaisesta latenssista ja korkeasta suorituskyvystä.
miten NVMe toimii
NVMe kartoittaa input/output (I / O) – komentoja ja vastauksia jaettuun muistiin isäntätietokoneessa PCIe-rajapinnan kautta. NVMe-liitäntä tukee rinnakkaista I / O: ta multicore-prosessoreilla, mikä helpottaa suurta läpimenokykyä ja lieventää keskusyksikön (CPU) pullonkauloja.
NVMe tarjoaa virtaviivaisemman komentojoukon I / O-pyynnön käsittelyyn kuin SCSI-ja ATA-komentojoukot. NVMe vaatii vähemmän kuin puolet suorittimen ohjeiden määrästä kuin SCSI-komentosarja tekee SAS-laitteilla ja ATA-komentosarja käyttää SATA-asemilla.
NVMe SSD vs. SATA SSD
SATA on tietokoneille kehitetty tietoliikenneprotokolla, joka toimii vuorovaikutuksessa HDD-tallennusjärjestelmien kanssa. Käyttöön vuonna 2000 ryhmä suuria tech pelaajia, SATA korvattu parallel ATA ja nopeasti tuli kaikkialla tallennusjärjestelmän protokolla tietokoneiden vaihtelevat kannettavista palvelimiin. Vuosien saatossa spec: n tarkistuksia on uudistettu ja se toimii tällä hetkellä 6 Gbps: n teholla jopa 600 MBps.
vaikka se on kehitetty kiintolevyteknologiaa varten mekaanisilla spinning-lautasilla ja toimilaitteen ohjaamilla luku – / kirjoituspäillä, varhaisia SSD-levyjä markkinoitiin SATA-liitännöillä nykyisen SATA-ekosysteemin hyödyntämiseksi. Se oli kätevä muotoilu ja auttoi nopeuttamaan SSD hyväksymistä, mutta se ei ollut-eikä vieläkään ole-ihanteellinen käyttöliittymä NAND flash-tallennuslaitteille ja nähtiin yhä useammin järjestelmän pullonkaulana.
Flashille suunniteltu NVMe: n nopeus ja alhainen latenssi jättävät SATA pölyyn, ja NVMe mahdollistaa huomattavasti suuremman tallennuskapasiteetin pienemmissä muototekijöissä, kuten M. 2: ssa. Yleensä NVMe suorituskykyparametrit päihittävät SATA viisi kertaa tai enemmän.
SATA voi olla vakiintuneempi, sillä on pidempi historia ja pienemmät toteutuskustannukset kuin NVMe: llä, mutta se on selvästi kiintolevyteknologiaa, joka on jälkiasennettu nykyaikaisempiin tallennusmedioihin.
NVMe SSD vs. SAS SSD
NVMe tukee 64 000 komentoa yhdessä viestijonossa ja enintään 65 535 i / O-jonoa. Sen sijaan SAS-laitteen jonosyvyys tukee tyypillisesti jopa 256 komentoa ja SATA-asema tukee jopa 32 komentoa yhdessä jonossa.
kuitenkin NVMe-pohjainen PCIe SSD ovat tällä hetkellä kalliimpia kuin SAS – ja SATA-pohjainen SSD vastaavalla kapasiteetilla; vaikka, että delta on kaventumassa. Myös high-end enterprise NVMe SSD voi kuluttaa enemmän valtaa kuin SAS tai SATA SSD. SCSI Trade Association väittää, että kehittyneemmät Sas-SSD-levyt tarjoavat lisäetuja NVMe-PCIe-SSD-laitteisiin verrattuna, kuten suuremman skaalautuvuuden, kuumakytkettävyyden ja aika-testatut vikaantumiskyvyt. NVMe PCIe SSD voi myös tarjota tason suorituskykyä, että monet sovellukset eivät vaadi.
NVM Expressin historia ja kehitys
non-Volatile Memory Host Controller Interface (NVMHCI) – työryhmä alkoi kehittää NVMe-spesifikaatiota vuonna 2009 ja julkaisi 1.0-version 1.maaliskuuta 2011. 1.0 erittely sisälsi jonotusliittymän, NVM-komentosarjan, hallinnon komentosarjan ja turvaominaisuudet.
NVMHCI-työryhmä, joka tunnetaan yleisesti nimellä NVM Express-työryhmä, julkaisi päivityksen NVMe-spesifikaatioon lokakuussa. 11, 2012. NVMe 1.1 lisäsi tuen SSD-tiedostoille, joissa on useita PCIe-portteja, jotta multipath I/O-ja nimiavaruuden jakaminen olisi mahdollista. Muita uusia ominaisuuksia olivat itsenäiset tehotilasiirrot joutokäynnin aikana energiantarpeen vähentämiseksi ja varaukset, joiden avulla kaksi tai useampi isäntä voi koordinoida pääsyä jaettuun nimiavaruuteen vikasietoisuuden parantamiseksi.
NVM Express-työryhmä järjesti ensimmäisen Plugfest-Tapahtuman toukokuussa 2013, jotta yritykset voisivat testata tuotteidensa yhteensopivuutta NVMe-spesifikaation kanssa ja tarkistaa yhteensopivuuden muiden NVMe-tuotteiden kanssa.
NVM Express-työryhmä yhdistettiin NVM Express-organisaationimen alle maaliskuussa 2014. Perustajajäseniä olivat tuolloin Cisco Systems, Dell, EMC, Western Digitalin HGST-tytäryhtiö, Intel, LSI, Micron Technology, NetApp, Oracle, PMC-Sierra, Samsung Electronics, SanDisk ja Seagate Technology.
NVM Express-organisaatio tuli myöhemmin tunnetuksi yksinkertaisesti nimellä NVM Express Inc. Voittoa tavoittelemattoman järjestön jäseninä on yli 100 teknologiayritystä.
NVMe 1.2-spesifikaatio syntyi marraskuussa. 3, 2014, parannuksia, kuten tukea live firmware päivitykset, parannettu virranhallinta ja mahdollisuus päästä-to-end tietosuoja.
Marraskuuta. 17, 2015, NVM Express organisaatio ratifioi 1.0 versio NVM Express Management Interface (NVMe-MI) tarjota arkkitehtuuri ja komentosarja hallita haihtumaton muisti alijärjestelmä pois kaistan. NVMe-MI: n avulla hallintaohjain voi suorittaa tehtäviä, kuten SSD-laitteen ja valmiuksien löytämistä, terveyden ja lämpötilan seurantaa sekä häiriöttömiä laiteohjelmistopäivityksiä. Ilman NVMe-MI: tä IT-johtajat tukeutuivat yleensä patentoituihin, toimittajakohtaisiin hallintarajapintoihin mahdollistaakseen PCIe-SSD-levyjen hallinnan.
NVMe 1.3 ominaisuusparannukset
NVM Express julkaisi NVMe: n 1.3 kesäkuussa 2017. Kohokohdat keskus puhdistus toimintaa, uusi kehys tunnetaan direktiivejä ja virtualisointi parannuksia.
puhdistusoperaatiossa kaikki NVMe-alijärjestelmän käyttäjätiedot muutetaan siten, että talteenotto ei ole mahdollista ”mistä tahansa välimuistista, haihtumattomasta mediasta tai ohjaimen muistipuskurista”, NVM Express reference sheet-lehden mukaan. Puhdistusoperaatioita suositellaan, kun SSD poistetaan käytöstä tai käytetään uudelleen uutta käyttötapausta varten. Puhdista tilat sisältävät matalan tason block erase NAND media, crypto-erase muuttaa median salausavaimen ja korvaa.
Direktiivikehyksessä määritellään järjestelmä isäntäosajärjestelmän ja NVMe-osajärjestelmän välistä tietojenvaihtoa varten. Tämä mahdollistaa per-i/O-komentotunnistuksen ja antaa järjestelmänvalvojille mahdollisuuden määrittää raportoitavat attribuutit ja asetukset.
direktiivien ensimmäinen käyttö on ominaisuus nimeltä Streams datan sijoittelun optimoimiseksi NAND SSD: n kestävyyden ja suorituskyvyn parantamiseksi. Perinteisesti, ennen kuin uusia tietoja voidaan kirjoittaa SSD, suuret datalohkot on ensin poistettava.
Streams-ominaisuuden avulla isäntä voi käyttää ”stream identifieriä” osoittaakseen tietyt loogiset tallennuslohkot, jotka kuuluvat liitettyjen tietojen ryhmään. Näin luku-tai kirjoitustiedot voidaan merkitä niihin liittyvillä tiedoilla, jotka on tallennettu muihin paikkoihin.
Virtualisointiparannukset määrittelevät, miten NVMe-salamaa voitaisiin käyttää jaetussa tallennusympäristössä, jossa on sekä fyysisiä että virtuaalisia ohjaimia, mukaan lukien ensisijaiset tallennusohjaimet ja toissijaiset tallennusohjaimet. NVM Expressin mukaan tavoitteena on, että kehitystiimit voivat omistaa tietyn SSD: n tietylle virtuaalikoneelle (VM).
NVMe 1.4 ominaisuusparannukset
NVMe 1.4 otettiin käyttöön heinäkuussa 2019. Tämä uusin versio sisältää useita parannuksia ja uusia ominaisuuksia, mukaan lukien:
- Rebuild Assist parantaa tietojen palauttamista ja tehostaa tietojen siirtämistä.
- pysyvä tapahtumaloki ylläpitää yksityiskohtaista asemahistoriaa, jota voidaan käyttää vianetsintään ja ongelmien syiden selvittämiseen.
- NVM-sarjat ja IO-determinismi parantavat suorituskykyä ja palvelun laatua (QoS).
- asymmetrinen nimiavaruus Access (ANA) parantaa monipiippuisuutta, mikä takaa korkean käytettävyyden.
- Isäntämuistipuskuri (HMB) vähentää viivettä ja auttaa SSD-asemien suunnittelussa.
- Persistent Memory Region (PMR) sallii isäntäjärjestelmien lukea ja kirjoittaa suoraan dynamic random access-muistiin (DRAM), jonka SSD-levyt sisältävät yhdessä niiden ydinsalaman kanssa, jota oli käytetty pääasiassa välimuistiin
uudet ominaisuudet vaativat muistitikkuvalmistajia päivittämään tuotteitaan sisällyttämään parannukset. Ose-autoihin tarvitaan myös uusia kuljettajia.
NVMe: n muototekijät ja standardit
tallennusrajapinnan ja-protokollan tarve hyödyntää paremmin NAND Flashin suorituskykypotentiaalia yritysympäristöissä oli tärkein sysäys NVMe spec: n kehittämiselle. Mutta reimagining yhteys standardi avasi ovet useita erilaisia käyttöliittymän toteutuksia, jotka voisivat pysyä rajoissa uuden spec tarjoten erilaisia toteutusvaihtoehtoja.
lyhyessä ajassa syntyi useita NVMe: n spesifikaatioiden mukaisia flash-muototekijöitä, kuten PCIe-väylän tavanomaiset add-in-kortit (AIC) ja uudet SSD-levyjen M. 2 ja U. 2 muototekijät.
- AIC. AIC muoto tekijä avulla valmistajat voivat luoda omia kortteja, jotka slot osaksi PCIe väylä murehtimatta storage bay malleja tai vastaavia rajoituksia. Kortit on usein suunniteltu erityiskäyttötapauksiin, ja niissä voi olla lisäprosessoreita ja muita siruja, jotka parantavat kiinteän olomuodon tallennustehoa.
- M. 2. M.2 form factor kehitettiin hyödyntämään NAND Flashin kompaktia kokoa ja matalalämpöpurkausta. Sinänsä M. 2-laitteiden ei ole tarkoitus mahtua perinteisiin asemalaituriosastoihin, vaan ne on tarkoitus ottaa käyttöön paljon pienemmissä tiloissa. Usein kuvattu noin koko keppiä purukumia, M. 2 SSD mittaa 22mm leveä ja yleensä 80mm pitkä, vaikka jotkut tuotteet voivat olla pidempi tai lyhyempi.
- U. 2. Toisin kuin M. 2 form factor, U. 2 SSD suunniteltiin sopimaan olemassa oleviin tallennuspaikkoihin alun perin tarkoitettu standardi SATA tai SAS laitteita. U.2 SSD näyttää hyvin paljon kuin vanhemmat media, koska ne tyypillisesti käyttävät 2,5-tuumainen tai 3,5-tuumainen kotelot, jotka ovat tuttuja kotelot HDDs. Ajatuksena oli tietenkin tehdä NVMe-teknologian käyttöönotto mahdollisimman helpoksi mahdollisimman pienellä uudelleensuunnittelulla.
toinen, vähemmän käytössä oleva NVMe-muototekijä on enterprise-ja datakeskus SSD-muototekijä eli EDSFF. Sitä tukevat Keskeiset tallennusalan toimijat, kuten Intel, Dell EMC, Hewlett Packard Enterprise (HPE), Lenovo, Samsung ja muut. EDSFF: n tavoitteena on parantaa enterprise-luokan tallennusjärjestelmien suorituskykyä ja kapasiteettia. Ehkä tunnetuin esimerkki EDSFF-salamasta on Intelin E1.L (pitkä) ja E1.S (lyhyt) flash-laitteet, jotka tarjotaan mitä alun perin kutsutaan ”hallitsija” muodossa tekijä.
NVMe yli kankaiden
NVM Express Inc. julkaistu 1.0 versio NVMe Over Fabrics (NVMe-oF) eritelmän kesäkuuta 5, 2016. NVMe-oF on suunniteltu laajentamaan NVMe: n korkean suorituskyvyn ja alhaisen latenssin etuja verkon kankaissa, jotka yhdistävät palvelimia ja tallennusjärjestelmiä, kuten Fibre Channel (FC), Ethernet ja InfiniBand.
Kangaskuljetuksia ovat NVM-of using remote direct memory access (rdma) ja NVMe-oF mapped to FC. NVM Express Inc: n tekninen alaryhmä. työskennellyt NVMe-oF: n parissa rdma: n kanssa, ja International Committee for Information Technology Standards (INCITS)-komitean T11-komitea on vastuussa NVMe: n kehittämisestä FC: hen (FC-NVMe).
NVMe-spesifikaatio on pitkälti sama kuin NVMe-spesifikaatio. Yksi tärkeimmistä eroista NVMe-oF: n ja NVMe: n välillä on komentojen ja vastausten lähetys-ja vastaanottomenetelmä. NVMe on suunniteltu paikalliseen käyttöön ja kartoittaa komentoja ja vastauksia tietokoneen jaettuun muistiin PCIe: n kautta. NVMe Over Fabrics sen sijaan käyttää viestipohjaista järjestelmää isäntätietokoneen ja kohdemuistilaitteen väliseen viestintään.
NVMe-oF: n suunnittelutavoitteena oli lisätä enintään 10 mikrosekuntia viivettä NVMe-isäntätietokoneen ja verkkoon liitetyn NVMe-tallennuslaitteen väliseen viestintään verrattuna paikallisen tietokoneen PCIe-väylää käyttävään NVMe-tallennuslaitteeseen.