NVM Express （NVMe） 是一種用于固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 （SSD） 的通信接口，它正在打破為旋轉(zhuǎn)介質(zhì)構(gòu)建的傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)技術(shù)的束縛。第二代 NVMe SSD 現(xiàn)已問(wèn)世，存儲(chǔ)容量超過(guò) 10 TB。

對(duì)具有更高容量的低成本和高能效 SSD 的追求體現(xiàn)了向基于 NVMe 的閃存存儲(chǔ)解決方案的過(guò)渡。以用于數(shù)據(jù)中心的 NVMe 設(shè)備為例，這些設(shè)備將服務(wù)器外的存儲(chǔ)移動(dòng)到集中位置，以便可以在多個(gè)服務(wù)器和 CPU 之間共享存儲(chǔ)。

NVMe 的早期采用者包括數(shù)據(jù)分析、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序。NVMe 存儲(chǔ)技術(shù)在這里所做的是在篩選和分析后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息，同時(shí)創(chuàng)建前所未有的規(guī)模的數(shù)據(jù)集。

以下是展示 NVMe 存儲(chǔ)技術(shù)在未來(lái)幾天的發(fā)展方向以及設(shè)計(jì)基于 NVMe 的存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)最重要的四個(gè)主要趨勢(shì)。

1. NVMe 1.3 規(guī)范下一個(gè)版本的SSD 接口事實(shí) 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)客戶端、企業(yè)和云功能進(jìn)行了重大更新。NVMe 1.3 版本增加了 10 項(xiàng)新功能，以下是這一添加近兩年半后最突出的三個(gè)亮點(diǎn)。

首先是對(duì)虛擬化的增強(qiáng)支持，允許設(shè)計(jì)人員靈活地將 SSD 資源分配給特定的虛擬機(jī)。現(xiàn)在，開(kāi)發(fā)人員無(wú)需在操作系統(tǒng)中模擬 NVMe SSD，這顯著提高了延遲。這是云和多租戶環(huán)境的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

然后是 Streams 功能，它通過(guò)允許閃存控制器在相關(guān)位置存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)記來(lái)自云托管環(huán)境中不同租戶的數(shù)據(jù)。換句話說(shuō)，它通過(guò)在單個(gè) SSD 上混合不同的工作負(fù)載來(lái)優(yōu)化性能。

圖 1：這是虛擬化在 NVMe 1.3 規(guī)范中的工作方式。

NVMe 1.3 規(guī)范還添加了 Sanitize 功能，它提供了一種完全擦除數(shù)據(jù)的本機(jī)方式，從而允許更有效地重用和停用 SSD。其他值得注意的功能包括增強(qiáng)的調(diào)試工具和對(duì)低資源環(huán)境中的引導(dǎo)的支持。

2. PCIe 對(duì)齊行業(yè)繼續(xù)快速向基于 PCIe 的 SSD 過(guò)渡，市場(chǎng)研究公司 IDC 預(yù)測(cè)，到 2021 年，基于 PCIe 的 SSD 將貢獻(xiàn)超過(guò) 50% 的企業(yè) SSD 收入。NVMe 正在迅速成為必備功能用于 PCIe SSD 應(yīng)用程序，因?yàn)樗ㄟ^(guò)卸載主機(jī) CPU 來(lái)降低延遲。

據(jù) IDC 稱，NVMe SSD 正在迅速取代串行高級(jí)技術(shù)附件 （SATA） 存儲(chǔ)設(shè)備，而與 SATA SSD 相比，NVMe SSD 的價(jià)格點(diǎn)正在縮小。

圖 2：PLDA 的 XpressRICH4-AXI 內(nèi)核是企業(yè)級(jí) PCIe 4.0 接口的軟 IP。

NVMe SSD 基本上可以使用大部分 PCIe 帶寬。因此，您可以快速移動(dòng)更多數(shù)據(jù)。鑒于第 4 代 PCIe 在 16 Gbps 線速下支持多達(dá) 16 條通道，并擁有 512 位數(shù)據(jù)路徑用戶界面的可用性，這是一個(gè)至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì)。

PCIe 4.0 規(guī)范預(yù)計(jì)將于 2018 年初推出。

3. NVMe-oF 架構(gòu)的出現(xiàn) 數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載不可避免地需要基于 NVMe 閃存的存儲(chǔ)系統(tǒng)的低延遲。在這里，NVMe over Fabric （NVMe-oF） 架構(gòu)通過(guò)遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問(wèn) （RDMA） 和光纖通道網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)中心架構(gòu)提供了基于 NVMe 的 SSD 的有效擴(kuò)展。

NVMe-oF 有助于在服務(wù)器和存儲(chǔ)之間以及存儲(chǔ)控制器和 NVMe 機(jī)箱之間傳輸更大的數(shù)據(jù)流。這會(huì)帶來(lái)下一代數(shù)據(jù)中心所需的更高性能、應(yīng)用程序響應(yīng)時(shí)間和可擴(kuò)展性。

NVMe-oF 架構(gòu)通過(guò)支持開(kāi)發(fā)具有更好吞吐量、延遲和服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 的高度優(yōu)化的存儲(chǔ)子系統(tǒng)來(lái)做到這一點(diǎn)。如何？通過(guò)允許 NVMe 控制器在 NVMe-oF 應(yīng)用程序之間傳輸大型數(shù)據(jù)流，而無(wú)需 CPU 參與數(shù)據(jù)平面。

圖 3：Mellanox 用于 NVMe-oF 設(shè)計(jì)的 BlueField 控制器芯片組擁有高速網(wǎng)絡(luò)、RDMA 卸載和多個(gè) PCIe 通道。

Cavium 最近展示了其用于 NVMe over Fibre Channel （FC-NVMe） 的 QLogic 解決方案，該解決方案將基于 NVMe 閃存的存儲(chǔ)的低延遲與第 6 代光纖通道網(wǎng)絡(luò)的無(wú)損、高度確定性特性相結(jié)合。

這家總部位于加利福尼亞州圣何塞的高速網(wǎng)絡(luò)芯片供應(yīng)商還展示了其 FastLinQ 45000/41000 系列網(wǎng)絡(luò)接口卡 （NIC），它同時(shí)支持 RoCE 和 iWARP 等基于以太網(wǎng)的 RDMA 結(jié)構(gòu)。

4. SSD 控制器的演進(jìn)SSD 控制器——基于閃存的存儲(chǔ)系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)建塊——是實(shí)現(xiàn) NVMe-oF 等下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵推動(dòng)力。然而，為此，閃存 SSD 控制器必須與 NAND 容量和低密度奇偶校驗(yàn) （LDPC） 趨勢(shì)保持一致。

IntelliProp 業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁 Hiren Patel 聲稱，他公司的控制器 IP 管理硬件中的命令和完成隊(duì)列，以提高性能并減輕處理器處理大量中斷的負(fù)擔(dān)。IntelliProp 的 NVMe 主機(jī)加速器 IP 內(nèi)核正在為 Xilinx 和 Altera FPGA 發(fā)貨，包括 Ultrascale Plus 和 Arria 10 FPGA。經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證的控制器現(xiàn)在為基于 PCIe 的 SSD 中使用的企業(yè)級(jí)、云級(jí)和客戶端級(jí)解決方案提供靈活且可配置的設(shè)計(jì)。

為企業(yè)和客戶端 SSD 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的 SSD 控制器必須為存儲(chǔ)應(yīng)用程序提供高吞吐量和數(shù)據(jù)完整性功能。他們應(yīng)該通過(guò)提供強(qiáng)大的 ECC 引擎支持的端到端數(shù)據(jù)保護(hù)來(lái)確保用戶數(shù)據(jù)的完整性和閃存糾錯(cuò)。

圖 4：Microsemi 的 NVMe 控制器通過(guò)提供固件可重用性將成本降至最低。

許多 SSD 控制器擁有可編程架構(gòu)，可通過(guò)固件定制實(shí)現(xiàn) SSD 產(chǎn)品差異化。固件定制還允許設(shè)計(jì)人員調(diào)整存儲(chǔ)設(shè)備并充分利用其功能。

在許多情況下，控制器 IP 提供固件以促進(jìn)數(shù)據(jù)在連接到 PCIe 鏈路上的 NVMe 端點(diǎn)的進(jìn)出接口。固件調(diào)整存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器的靈活性帶來(lái)了獨(dú)特的性能屬性。

有望主宰閃存存儲(chǔ)的 NVMe 正在不斷增長(zhǎng)，而 NVMe 技術(shù)因其能夠確保高性能和低延遲的能力而成為這一存儲(chǔ)趨勢(shì)中最突出的部分。因此，雖然 SATA 和 SAS 存儲(chǔ)技術(shù)不會(huì)很快消失，但 NVMe 似乎有望成為 SSD 的主導(dǎo)接口。