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什么是NVMe,有何优势?
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2017-05-31 16:22:13
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        机械硬盘读取延迟比较高,尤其是读取零散存放在硬盘各个位置的小文件,性能尤其令人糟心。人们想通过各种方法技术去优化它,AHCI就是被普遍采用的一种技术。AHCI (Serial ATA Advanced Host Controller Interface)串行ATA高级主控接口的缩写,是在Intel的指导下,由多家公司联合研发的接口标准,它允许存储驱动程序启用高级串行 ATA 功能,如NCQ这样专门缩减寻道时间的优化方式。综合来看,AHCI相比于之前IDE,能够提升硬盘综合性能大约10-30%。
  然而,SSD与机械硬盘工作原理完全不同,前者采用电信号存储,使用存储介质是硅芯片;后者采用磁信号存储,存储介质是磁盘。机械硬盘最快传输速度仅仅200MB/s上下,SSD的性能却远超过这一数值。这样一来,专为机械硬盘设计的AHCI优化并不太适合SSD设备上。2007年,Intel 就召集相关厂商 ,包括三星、美光、戴尔、Marvell 、NetAPP、EMC、IDT等,成立了NVMe小组,准备着手在即将到来SSD时代建立新的存储规范标准。而他们的目标,就是要将未来存储产品的性能,从SATA和AHCI之中解放出来。
NVMe是什么?
    2011年时,Non-Volatile Memory Express 非易失性存储器标准即NVMe规范正式出炉,这是专门针对NVND闪存和下一代存储设备所提出的规范。它基于闪存的特点而研发,其目的是尽可能缩小存储系统和内存带宽之间的差距。企业级SSD上已经很多产品采用NVMe规范,不过消费级产品普及要慢一些,目前最新标准是NVMe 1.2。
NVMe的优势?
(1)更低的延时:



  造成硬盘存储时延迟的三大因素,存储介质本身、控制器以及软件接口标准。由上图可以发现,比起AHCI,NVMe可以大幅度降低控制器和软件接口部分的延迟,原因有以下两个:
  NVMe面向的是PCIe SSD,原生PCIe主控与CPU直接相连,而不是传统方式,通过南桥控制器中转,再连接CPU(当然,如果设备是接入到南桥提供的PCIe接口上,那么这部分的延迟也不会降低多少);
  NVMe精简了调用方式,执行命令时不需要读取寄存器;而AHCI每条命令则需要读取4次寄存器,一共会消耗8000次CPU循环,从而造成2.5μs的延迟。
(2)更高的传输性能



 

    NVMe的另一个重点则是提高SSD的IOPS(每秒读写次数)性能。如果我们有详细了解过SSD的主控参数,应该知道会有队列深度这个参数。理论上,IOPS=队列深度/ IO延迟,故IOPS的性能,与队列深度有较大的关系(但IOPS并不与队列深度成正比,因为实际应用中,随着队列深度的增大,IO延迟也会提高)。市面上性能不错的SATA接口SSD,在队列深度上都可以达到32,然而这也是AHCI所能做到的极限。但目前高端的企业级PCIe SSD,其队列深度可能要达到128,甚至是256才能够发挥出最高的IOPS性能。而NVMe标准下,最大的队列深度可达64000。此外,NVMe的队列数量也从AHCI的1,提高了64000。
(3)更低的功耗控制


更低的能耗管理

   NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能,如图例所示,设备从能耗状态0闲置50ms后可以迅速切换到能耗状态1,在500ms闲置后又会进入能耗更低的状态2。虽然切换能耗状态会产生短暂延迟,但闲置时这两种状态下的功耗可以控制在非常低的水平,因此在能耗管理上,相比起主流的SATA接口SSD拥有较大优势,这一点对增加笔记本电脑等移动设备的续航尤其有帮助。另外,因为原生PCIe可以与CPU直连,数据传输时没有了中间转接过程所产生的功耗,也会在一定程度上降低能耗。

文章来自太平洋电脑网


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