現(xiàn)在 M.2 接口、NVMe 協(xié)議的 SSD 可以說(shuō)是目前大家購(gòu)買(mǎi)的主流了。每當(dāng)有選購(gòu)相關(guān)的話題，大家關(guān)心的都是顆粒、主控及相關(guān)的連續(xù)讀寫(xiě)、隨機(jī)讀寫(xiě)性能。其實(shí)影響固態(tài)硬盤(pán)整體性能發(fā)揮的技術(shù)因素還有不少，比如我們今天要講到的 NVMe 版本。

什么是 NVMe？

NVMe 大家說(shuō)得很多，有些說(shuō)是接口，有些說(shuō)是協(xié)議。其實(shí) NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一種用于訪問(wèn)存儲(chǔ)在基于 PCIe 的固態(tài)硬盤(pán)上的數(shù)據(jù)的規(guī)范，直譯過(guò)來(lái)就是 " 非易失性?xún)?nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范 "，說(shuō)是協(xié)議，姑且也算對(duì)，說(shuō)是接口，那么就不太準(zhǔn)確了，至少應(yīng)該說(shuō)是 NVMe 規(guī)范 / 協(xié)議接口。

在 NVMe 之前，SSD 通過(guò) SATA 或 SAS 接口連接到計(jì)算機(jī)，并使用高級(jí)主機(jī)控制器接口（AHCI）進(jìn)行通信。這些技術(shù)是為傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)設(shè)計(jì)的，它在數(shù)據(jù)的隨機(jī)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)的一次性傳輸速度方面有實(shí)際的物理限制。到 2010 年末，主流消費(fèi)者的固態(tài)硬盤(pán)被 SATA 所賦予的相對(duì)有限的吞吐量所制約。在專(zhuān)業(yè)和消費(fèi)者市場(chǎng)上，這種限制是通過(guò)創(chuàng)造通過(guò) PCI Express 連接的固態(tài)硬盤(pán)（通過(guò)接口卡或者直插 PCIe X1 接口）來(lái)克服的。

早期的 PCIe 接口的固態(tài)硬盤(pán)不僅速度提升不高，而且做啟動(dòng)盤(pán)操作繁瑣

這種策略只允許制造商克服 SATA 固有的 6Gb/s（750MB/s）的速度限制，在考慮到總線其他資源開(kāi)銷(xiāo)的情況下，固態(tài)硬盤(pán)的最高速度為 550MB/s 左右。然而，這些硬盤(pán)要么使用 AHCI 而保留了幾乎所有的隨機(jī) I/O 性能瓶頸，要么使用定制的接口規(guī)范，廠商之間的操作差異很大。由于這些驅(qū)動(dòng)器的定制設(shè)計(jì)，使用時(shí)需要設(shè)備特定的軟件驅(qū)動(dòng)程序；因此，早期的 PCI Express 固態(tài)硬盤(pán)如當(dāng)時(shí)的 Intel 910 等，在 Windows 上作為啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器使用時(shí)比較復(fù)雜，或者在供應(yīng)商不支持的情況下與 Linux 一起使用。

NVM Express 消除了這些問(wèn)題，它提供了一個(gè)通用數(shù)據(jù)交互接口供硬盤(pán)使用，從一開(kāi)始就是為了利用閃存顆粒的獨(dú)特屬性，特別是為了優(yōu)化性能和減少延遲。其結(jié)果是存儲(chǔ)性能的顯著提高，使 NVMe 成為需要最高水平的吞吐量和效率的 SSD 的理想選擇。

為什么 NVMe 很重要？

NVMe 使硬盤(pán)制造商能夠創(chuàng)建更高性能的硬盤(pán)，而不受 SATA/SAS 和 AHCI 的吞吐量瓶頸的限制，這些都是為傳統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán)設(shè)計(jì)的。在機(jī)械硬盤(pán)上處理多個(gè)文件時(shí)，硬盤(pán)磁頭必須在硬盤(pán)的各個(gè)部分高速移動(dòng)，以便向磁盤(pán)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。雖然緩存和其他固件技術(shù)掩蓋了這一點(diǎn)，但機(jī)械硬盤(pán)實(shí)際上一次只能處理一個(gè)文件。

因此，為機(jī)械硬盤(pán)設(shè)計(jì)的 AHCI 只有一個(gè)命令隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列最多只能有 32 條命令。由于這種機(jī)械限制不存在于固態(tài)硬盤(pán)（SSD 沒(méi)有磁頭），AHCI 的這一屬性是非常不利的。NVMe 通過(guò)允許多達(dá) 65535 個(gè)命令隊(duì)列來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，每個(gè)隊(duì)列最多可以有 65536 個(gè)命令。 ( 這是由規(guī)范提供的，盡管實(shí)際利用這一點(diǎn)需要主控的支持）。

NVMe 提供了真正多任務(wù)、大隊(duì)列的命令控制和數(shù)據(jù)吞吐能力

同樣，NVMe 提供 2048 個(gè) MSI-X 中斷，而 AHCI 提供一個(gè)沒(méi)有轉(zhuǎn)向的中斷。NVMe 的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)也同樣減少了，因?yàn)?4K 命令參數(shù)在一次獲取中執(zhí)行，而 AHCI 需要兩次主機(jī) RAM 的獲取。此外，NVMe 不需要為并行指令鎖定。

從整體上看，NVMe 具有閃存優(yōu)先的理念，不限制驅(qū)動(dòng)器使用閃存的固態(tài)屬性，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致了更高的性能。

NvME 1.3 vs NvME 1.4，改變了什么？

NVMe 規(guī)范的最新版本是 1.4 版，于 2021 年 3 月發(fā)布。該規(guī)范的 1.3 版本是在 2017 年 4 月發(fā)布的。NVMe 1.4 中的一些重大變化包括。

支持主機(jī)內(nèi)存緩沖區(qū)訪問(wèn)命令集，它允許主機(jī)直接訪問(wèn) NVMe 設(shè)備的內(nèi)存緩沖區(qū)，減少延遲和 CPU 開(kāi)銷(xiāo)。

新的端到端數(shù)據(jù)保護(hù)命令集，允許主機(jī)指定寫(xiě)入 NVMe 設(shè)備的數(shù)據(jù)應(yīng)在整個(gè)數(shù)據(jù)路徑中免受錯(cuò)誤影響。

被動(dòng)狀態(tài)電源管理的增強(qiáng)，包括一個(gè)新的主機(jī)控制熱管理功能，允許主機(jī)控制 NVMe 設(shè)備的溫度閾值和冷卻策略。

支持 Package Symphony Flow Control，它允許在菊花鏈配置中連接多個(gè) NVMe 設(shè)備，并在它們之間進(jìn)行流量控制。

一個(gè)新的寫(xiě)錯(cuò)誤恢復(fù)通知基元，允許主機(jī)在寫(xiě)操作中發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)得到通知。

NVMe 1.4 還包括其他一些小的變化和改進(jìn)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，相比 NVMe1.3，NVMe 1.4 有三項(xiàng)重大改良，包括：NVM Sets、PLM ( Predictable Latency Mode ) 及 RRL ( Read Recovery Level ) 。NVM Sets 改良分工機(jī)制，舉例 1 個(gè) 4TB SSD ( 內(nèi)部 4 通道傳輸 ) ，但 NVMe 1.3 只看成單一 4TB 空間，只將數(shù)據(jù)隨意寫(xiě)入 4TB 任何區(qū)域，導(dǎo)致各信道互相擠塞。

但憑 NVMe 1.4 的 NVM Sets 新指令，4TB 將劃分為 4 個(gè) 1TB 空間，每條通道只獨(dú)立存取 1 個(gè) 1TB 空間。NVM Sets 有效縮短延遲時(shí)間，兼減少刷寫(xiě)損耗。

NVM Sets 讀寫(xiě)更有序，有效縮短延遲，提高顆粒壽命

而另一個(gè)大改動(dòng)，莫過(guò)于 NVMe1.4 真正支持 PCIe4.0 了，這使得 SSD 的讀寫(xiě)性能得到了進(jìn)一步的提升。

聰明的主控廠商早就在宣傳 NVMe1.4 標(biāo)準(zhǔn)作為賣(mài)點(diǎn)了

因此，目前市面上的 NVMe 硬盤(pán)主流雖然是 1.3 和 1.4 版本，也有了 2.0 版本（頂級(jí) PCIe4.0 產(chǎn)品），但總的來(lái)說(shuō)，即使是 PCIe3.0 產(chǎn)品，NVMe1.4 版本的產(chǎn)品，相對(duì)老舊的 1.2 和 1.3 規(guī)范的產(chǎn)品，不僅速度提高，而且延遲縮短、顆粒的壽命更長(zhǎng)、溫度控制更為靈活

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