非易失性快速存儲器協議（NVMe）定義了一種通過PCIe總線訪問固態硬盤驅動器（SSD）的新方法，并且預計在未來幾年內將會呈指數級增長，與傳統協議（如SATA協議）相比，其更高的性能和較低的延遲具有一定的優勢。

NVMe支持的存儲基礎設施不僅能夠得到廣泛的部署，而且目前正在進入數據中心領域，通常這些數據中心仍在采用傳統的機械硬盤（HDD）和固態硬盤(SSD)。而NVMe協議已經成為下一代數據中心存儲的代理人。為了理解這種演變，回顧存儲技術的發展過程，并檢查在由該協議轉換的一些新的應用工作負載是十分重要的。

在過去的幾十年中，數據存儲遵循了一種類似于數據計算的模式，這種模式從中央主機體系結構中發展出來，演變成分布式的客戶機/服務器體系結構。然后，又返回到由虛擬化驅動的中央架構，然后返回由基于Web和云計算的應用程序驅動的分布式架構。存儲技術又在直接連接的介質和分布式存儲區域網絡（SAN）之間搖擺不定，通過并行和串行接口使用SCSI命令集和SATA/SAS協議在CPU和存儲介質之間物理移動數據。

隨著基于閃存技術的固態硬盤（SSD）的出現，傳統的SATA/SAS標準協議似乎有些落伍，但其當初的興起是因為它們經過了實踐驗證，兼容且無縫集成到現有系統中。隨著時間的推移，盡管與數據訪問請求和收據相關的長時間的性能延遲，SATA協議仍然是最常見且成本效益最高的接口標準。硬盤驅動器這些延遲是有情可原的，因為磁格式需要磁盤旋轉和尋道導致延遲，但對于使用內存單元（相對于磁盤旋轉和尋道）的基于閃存的SSD，SATA協議的延遲是不可接受的。最終，因為SATA標準協議更新太慢，無法在基于閃存的存儲系統的應用中實現固態硬盤（SSD）的全部優勢。

SATA協議的這些限制使PCI Express（PCIe）成為存儲介質未來的邏輯接口，同時也基于為SATA/SAS標準設計的傳統SCSI軟件棧。PCIe插槽直接連接到CPU（提供類似內存的訪問），并在一個較小的軟件堆棧運行（參見圖1），PCIe接口可以減少數據傳輸延遲，同時增加傳統SATA/SAS的帶寬。雖然PCIe接口是朝著正確方向邁出的一步，但每個SSD硬盤都需要自己的專有驅動程序，由于缺乏標準化，這增加了復雜性和不兼容性，因此為SSD廠商開展了更多的開發工作。因此，NVMe協議應運而生。

　　圖1 SATA和SAS SSD與PCIe SSD的軟件堆棧的比較

非易失性存儲器（NVME）是基于NAND閃存的固態硬盤（SSD）的標準協議和驅動程序。NVMe的接口由行業領先的存儲，網絡和服務器供應商（NVMexpress.org）的開放行業聯盟開發，提高了基于PCIe的服務器和SSD的非易失性的存儲性能，并消除SCSI命令棧和直接連接存儲（DAS）與傳統HDD接口相關的瓶頸。它是固態介質特有的獨特調整的I/O架構，可以去除傳統的HDD接口障礙。在概念上，只需要一個驅動程序可以讓每個SSD符合標準。

NVMe兼容的固態硬盤（SSD）可以提供高達10倍的基于SATA協議的SSD的讀取性能，從而在更少的設備上運行更嚴格的應用程序工作負載，并使物理硬件的體積更小。最初用于高性能和大容量負荷（溢價成本）的基于NVMe的固態硬盤（SSD）現在可以在之前為基于SATA標準的SSD預留的數據中心的其他領域服務，并且還創建了被廣泛采用的計算和存儲的融合。

NVMe和固態硬盤

NVMe協議將PCIe閃存存儲擴展到新的級別。它是專門針對非易失性固態存儲架構優化的。它具有精簡的內存接口，命令集和隊列設計，非常適合當今的虛擬操作系統。此外，它直接連接到CPU（通過PCIe總線，）可簡化存儲設備堆棧，并提供比傳統SATA/SAS協議更快的性能。因此，所有主要的服務器制造商都實現了對基于NVMe的U.2固態硬盤（2.5英寸格式）的支持，這使其出貨量增長，并將很快超過SATA固態硬盤。

　　表1 典型SSD硬盤的接口規范

表1顯示了使用領先的西部數據SSD硬盤（括號內）進行比較的SATA，SAS，PCIe和NVMe的SSD介質的典型規格。基于NVMe標準的SSD硬盤可提供最佳的IOPS（每秒I/O操作），帶寬性能以及最高容量范圍。

　　表2 SATA與PCIe與NVMe的性能比較

表2比較了基于其高級主機控制器接口（AHCI）與PCIe協議和NVMe標準的SATA協議的關鍵特性

數據中心的NVMe與SATA

與SATA協議相比，NVMe協議提供更好的帶寬和IOPS性能，同時加上較低的延遲。它還可以為主存儲設備提供可擴展性，而沒有電池支持的RAID或HBA卡的成本或復雜性。使用基于NVMe的存儲與基于SATA的存儲的優勢涵蓋了各種工作負載，如以下的討論所示。

（1）傳統的企業數據庫工作負載

為了幫助擴展數據庫，并避免服務器蔓延或硬件資源利用率不高，Microsoft SQL Server，Oracle DB和Oracle MySQL可以使用SATA協議的12倍的NVMe帶寬，其延遲降低50％。例如，具有SATA存儲器的單個數據庫服務器受到SATA設備性能的I/O等待條件的限制。結果是系統操作較慢。一個常見的解決方案是購買另一臺服務器并分擔工作負載，或將一臺服務器分配給后端庫存，另一臺服務器將其分配到訂單輸入中。但是這些種情況下，都需要兩個軟件許可證。

使用NVMe固態硬盤（SSD）替換基于SATA協議的SSD或HDD可以將I/O等待時間減少50％，從而使數據庫工作負載能夠在單個服務器上運行，并且只需要一個軟件許可證。單個核心數據庫應用程序可能花費數萬美元，而許多軟件許可證可能占總體擁有成本（TCO）和總運營成本（TOC）的60％以上。然而，NVMe提供了交互式商業智能（BI）工作負載所需的帶寬和性能，以及支持諸如聯機事務處理（OLTP）等事務性工作負載的最高IOPS。

（2）內存數據庫的工作負載

Apache Spark和其他內存數據庫（IMDB）應用程序（依賴主內存進行數據存儲）通過持久存儲的存儲組件更改和掃描數據集，這些數據集的規模通常大于組合的集群存儲器。在這種情況下，每個NVMeSSD提供的較高帶寬足以以CPU速度提供DRAM內存重載和相關數據掃描。

在采用SATA協議的情況下，需要RAID0配置中的多個驅動器，在平均故障間隔時間（MTBF）和重建時間之間創造挑戰。在8個磁盤RAID0系統中的單一故障意味著節點總是失效，必須重新加載;然而，重新加載節點會將受影響的系統置于“降級模式”中，或者更糟的是在完全重建節點時，可能讓它們停止運行。

（3）物聯網工作負載

NVMe也非常適合整合各種數據源，特別是從較新的工業物聯網（IoT）工作負載產生的數據源。例如，一個工廠可以將數千個傳感器以每秒數千次將數據傳輸到NoSQL數據庫（如Mongo DB或Cassandra），每秒數百kB。NVMe的高級帶寬對于將這些資源集成到數據庫中是至關重要的，同時提供足夠的帶寬和IOPS來執行分析。

物聯網設備（例如自主駕駛汽車，無人機，工廠/農場機器和設備，以及監控攝像機）也收集大量的數據。根據調研機構Gartner公司的研究，到2020年，每輛車輛的連接和自主汽車數據流量可能達到280PB，即每年2.8億GB。有效處理這些數據的唯一方法是通過車載閃存存儲和具有NVMe設備的路邊網關。但是，即使使用這種基礎設施，大量自主駕駛的“車隊”也需要將處理后的數據推送到云端進行存儲和分析，從而創建了一個數據海嘯，因此需要通過精簡的NVMe堆棧實現帶寬，IOPS和低延遲。

（4）機器學習的工作負載

機器學習可以有效地使用基于NVMe的設備，特別是即將支持直接內存訪問（DMA）擴展，使某些硬件子系統能夠獨立于CPU訪問主系統內存。這種訪問使得CPU不僅可以更快地讀取數據，而且能夠更快地執行更高優先級的任務，例如饋送圖形處理單元（GPU）陣列。SATA接口具有較低的GPU利用率，因為數據從多個SATA驅動器傳送到DRAM內存，然后使用主機CPU進入GPU。這個過程會導致性能上的差距，特別是當GPU陣列數據不足時。

最后的思考

正如人們過去所體驗的計算和存儲架構的衰退和流動一樣，人們正在經歷數據中心的另一波轉變。然而，與過去的協議不同，NVMe作為集中化和分散化之間的橋梁，提供了以前不可見的靈活性和選擇。因此，人們需要隨時關注NVMe將通過計算的未來進行導航，從而實現強大而多功能的系統，并將其作為數據中心變革代理人的應有的地位。