详解：什么是NVMe？
微信公众号 乐生活与爱IT 编者按：
昨天在《Why NVMe ?》曾提到：NVMe标准协议除了建立了通用兼容的闪存接口协议以外，还针对闪存存储的特点，提供了低延时、高并发以及低功耗的特性。AHCI支持NCQ（Native Command Queuing，命令序列）的最大深度为32，而NVMe能到64K !
2021年6月，NVMe最新的规范NVMe 2.0发布，支持 HDD 机械硬盘，分区命名空间 ZNS，还有 KV-SSD 等，详见：
《机械硬盘也能用NVMe协议了？NVMe 2.0规范标准正式发布》
为了进一步了解NVMe，经微信公众号 SDNLAB 授权，转载其在2021年4月9日发表的文章《详解：什么是NVMe？》，略有删减。
---转载开始---
说到NVMe，“快”是人们对它的第一印象。因为NVMe的出现，硬盘的性能得到了极大的提升。那到底什么是NVMe呢？
什么是NVMe？
NVMe是 non-volatile memory express 缩写，翻译过来就是非易失性内存主机控制器接口规范，在它首次投放市场的时候，许多人认为它只是一个新的、速度更快的SSD。但实际上，NVMe是一种基于性能并从头开始创建新存储协议，它可以使我们能够充分利用SSD和存储类内存（SCM）的速度。
NVMe是一种高性能、NUMA（非统一内存访问）优化的、高度可扩展的存储协议，用于连接主机和内存子系统。NVMe是专门为NAND、闪存等非易失性存储设计的，NVMe协议建立在高速PCIe通道上。
NVMe接口协议的功能包括：
支持64K命令队列；
可以使用低CPU周期为每个队列发送64K命令；
延迟约为2.8微秒；
可以直接与系统CPU通信；
NVMe可以实现超过一百万的IOP。
NVMe的演变
在过去的十年中，存储技术发生了翻天覆地的变化。随着固态硬盘开始取代机械硬盘成为主要的存储设备，我们急需一个新的接口标准来利用更快的速度和功能。
传统的SATA接口与AHCI标准其实是为了机械硬盘而设计的，早期的SSD性能不高，即使使用这些传统的接口和协议，也不觉得有什么问题，但是随着SSD的性能逐渐增强，传统的标准已经不再适用，进而成为了限制SSD的一大瓶颈。NVMe是第一个真正满足高速存储介质需求的协议。
2009年下半年，NVM Express工作组（NVMHCI）开始制定NVMe规范，NVM Express工作组包含90多家公司成员，Intel是主要领头人，小组成员包括美光、戴尔、三星、Marvell、NetAPP、EMC、IDT等公司，目的就是为SSD建立新的存储规范标准，让它在老旧的SATA与AHCI中解放出来。
2011年，NVMe 1.0标准正式出炉，该标准是根据闪存存储的特点量身定制的，新的标准解除了旧标准在SSD上的各种限制。2012、2014和2017相继推出了1.1、1.2和1.3版本，目前最新的NVMe 1.4标准已于2019年7月发布。
NVMe如何工作？
NVMe通过PCIe接口将I/O命令和响应映射到主机的共享内存。NVMe接口支持多核处理器并行I/O，以促进高吞吐量，缓解CPU的压力。
与SCSI和ATA命令集相比，NVMe提供了更加简化的命令集来处理I/O请求。相对于前两者，NVMe需要的CPU指令数量少一半。
NVMe的本质是上建立了多个计算机与存储设备的通路。NVMe在单个消息队列中支持64000个命令，最多支持65535个I/O队列。相比之下，SAS设备的队列深度通常在一个队列中最多支持256个命令，而SATA驱动器最多支持32个命令。打个比方，如果SATA是一条普通的小道，每次只能通过32辆车的话，那NVMe就是一条拥有65535条车道的高速公路，每条车道能通过65535辆车。
NVMe的优势
NVMe的优势在于它能够利用到并行数据路径，从而在加速方面提供更好的性能。它能够使现有的应用程序以及新的应用程序可以更有效地工作。除此之外，低延时、低功耗以及兼容性高等也是NVMe的众多优势之一。
NVMe的优势包括：
低延时，NVMe协议可以通过PCIe通道跟CPU直接相连，数据不需要像SATA一样需要通过控制器再中转到CPU；
IOPS大增，NVMe则可以把最大队列深度从32提升到64000，SSD的IOPS能力也会得到大幅提升。
功耗更低，NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能；
兼容性高，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平台、系统，无需厂家提供相应的驱动就可以正常工作。
NVMe还是物联网（IoT）、人工智能（AI）和机器学习（ML）等创新和发展中的技术和应用程序的关键推动力，这些技术和应用程序都可以受益于NVMe连接的低延迟和高性能贮存。
写在最后
NVM Express Inc.在2016年6月发布了1.0版的NVMe over Fabrics（简称NVMe-OF），NVMe-OF的出现，就是将NVMe应用到前端，作为存储阵列与前端主机连接的通道，取代过去的FC、iSCSI。
本文图片均源自互联网，如有侵权，可联系删除
参考：
https://searchstorage.techtarget.com/definition/NVMe-non-volatile-memory-express
http://www.chinastor.com/baike/ssd/04103A942017.html
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1656124121156181075&wfr=spider&for=pc
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1674436169658799154&wfr=spider&for=pc
---转载结束---
对NVMe，或者ZNS感兴趣的朋友，可以通过扫描下图二维码，报名参加7月27日位于北京嘉里大酒店举办的OCP China Day 2021。上午主论坛，下午4个分论坛，共计40个演讲或分享话题。其中分论坛三，也即开放计算生态论坛，有一场题为《OCP存储设备振动项目进展及浪潮ZNS SSD介绍》的分享，将由浪潮信息技术研发部-结构工程师王羽茜，和浪潮信息SSD产品总经理胡文锋进行演讲。
扩展阅读 系列文章：
《Why NVMe ?》
《即将一统天下的OCP NIC 3.0及其未来》
《OCP最成功的项目是什么？许多数据中心硬件从业者都会和它打交道》
《图文和视频了解OCP之OAI/OAM》
《一图了解OCP(开放计算)全部九大类项目》
《视频回放 | 开放计算 整机柜的前世今生》
《视频回放 | OCP 2020: 边缘计算的开放趋势》
《一文了解国内外开放计算》
《随笔：为什么要开放？》
请持续关注微信公众号 乐生活与爱IT，后面将继续分享相关文章，如NVMe Over Fabrics等