易失性快速存儲器協定（NVMe）定義了一種通過PCIe總線通路固态硬碟驅動器（SSD）的新方法，并且預計在未來幾年内将會呈指數級增長，與傳統協定（如SATA協定）相比，其更高的性能和較低的延遲具有一定的優勢。
NVMe支援的存儲基礎設施不僅能夠得到廣泛的部署，而且目前正在進入資料中心領域，通常這些資料中心仍在采用傳統的機械硬碟（HDD）和固态硬碟(SSD)。而NVMe協定已經成為下一代資料中心存儲的代理人。為了了解這種演變，回顧存儲技術的發展過程，并檢查在由該協定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，資料存儲遵循了一種類似于資料計算的模式，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/伺服器體系結構。然後，又傳回到由虛拟化驅動的中央架構，然後傳回由基于Web和雲計算的應用程式驅動的分布式架構。存儲技術又在直接連接配接的媒體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指令集和SATA/SAS協定在CPU和存儲媒體之間實體移動資料。
随着基于閃存技術的固态硬碟（SSD）的出現，傳統的SATA/SAS标準協定似乎有些落伍，但其當初的興起是因為它們經過了實踐驗證，相容且無縫內建到現有系統中。随着時間的推移，盡管與資料通路請求和收據相關的長時間的性能延遲，SATA協定仍然是最常見且成本效益最高的接口标準。硬碟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緻延遲，但對于使用記憶體單元（相對于磁盤旋轉和尋道）的基于閃存的SSD，SATA協定的延遲是不可接受的。最終，因為SATA标準協定更新太慢，無法在基于閃存的存儲系統的應用中實作固态硬碟（SSD）的全部優勢。
SATA協定的這些限制使PCI
Express（PCIe）成為存儲媒體未來的邏輯接口，同時也基于為SATA/SAS标準設計的傳統SCSI軟體棧。PCIe插槽直接連接配接到CPU（提供類似記憶體的通路），并在一個較小的軟體堆棧運作（參見圖1），PCIe接口可以減少資料傳輸延遲，同時增加傳統SATA/SAS的帶寬。雖然PCIe接口是朝着正确方向邁出的一步，但每個SSD硬碟都需要自己的專有驅動程式，由于缺乏标準化，這增加了複雜性和不相容性，是以為SSD廠商開展了更多的開發工作。是以，NVMe協定應運而生。
圖1 SATA和SAS SSD與PCIe SSD的軟體堆棧的比較
非易失性存儲器（NVME）是基于NAND閃存的固态硬碟（SSD）的标準協定和驅動程式。NVMe的接口由行業領先的存儲，網絡和伺服器供應商（NVMexpress.org）的開放行業聯盟開發，提高了基于PCIe的伺服器和SSD的非易失性的存儲性能，并消除SCSI指令棧和直接連接配接存儲（DAS）與傳統HDD接口相關的瓶頸。它是固态媒體特有的獨特調整的I/O架構，可以去除傳統的HDD接口障礙。在概念上，隻需要一個驅動程式可以讓每個SSD符合标準。
NVMe相容的固态硬碟（SSD）可以提供高達10倍的基于SATA協定的SSD的讀取性能，進而在更少的裝置上運作更嚴格的應用程式工作負載，并使實體硬體的體積更小。最初用于高性能和大容量負荷（溢價成本）的基于NVMe的固态硬碟（SSD）現在可以在之前為基于SATA标準的SSD預留的資料中心的其他領域服務，并且還建立了被廣泛采用的計算和存儲的融合。
NVMe和固态硬碟
NVMe協定将PCIe閃存存儲擴充到新的級别。它是專門針對非易失性固态存儲架構優化的。它具有精簡的記憶體接口，指令集和隊列設計，非常适合當今的虛拟作業系統。此外，它直接連接配接到CPU（通過PCIe總線，）可簡化儲存設備堆棧，并提供比傳統SATA/SAS協定更快的性能。是以，所有主要的伺服器制造商都實作了對基于NVMe的U.2固态硬碟（2.5英寸格式）的支援，這使其出貨量增長，并将很快超過SATA固态硬碟。
表1 典型SSD硬碟的接口規範
表1顯示了使用領先的西部資料SSD硬碟（括号内）進行比較的SATA，SAS，PCIe和NVMe的SSD媒體的典型規格。基于NVMe标準的SSD硬碟可提供最佳的IOPS（每秒I/O操作），帶寬性能以及最高容量範圍。
表2 SATA與PCIe與NVMe的性能比較
表2比較了基于其進階主機控制器接口（AHCI）與PCIe協定和NVMe标準的SATA協定的關鍵特性
資料中心的NVMe與SATA
與SATA協定相比，NVMe協定提供更好的帶寬和IOPS性能，同時加上較低的延遲。它還可以為主儲存設備提供可擴充性，而沒有電池支援的RAID或HBA卡的成本或複雜性。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，如以下的讨論所示。
（1）傳統的企業資料庫工作負載
為了幫助擴充資料庫，并避免伺服器蔓延或硬體資源使用率不高，Microsoft SQL Server，Oracle DB和Oracle
MySQL可以使用SATA協定的12倍的NVMe帶寬，其延遲降低50％。例如，具有SATA存儲器的單個資料庫伺服器受到SATA裝置性能的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台伺服器并分擔工作負載，或将一台伺服器配置設定給後端庫存，另一台伺服器将其配置設定到訂單輸入中。但是這些種情況下，都需要兩個軟體許可證。
使用NVMe固态硬碟（SSD）替換基于SATA協定的SSD或HDD可以将I/O等待時間減少50％，進而使資料庫工作負載能夠在單個伺服器上運作，并且隻需要一個軟體許可證。單個核心資料庫應用程式可能花費數萬美元，而許多軟體許可證可能占總體擁有成本（TCO）和總營運成本（TOC）的60％以上。然而，NVMe提供了互動式商業智能（BI）工作負載所需的帶寬和性能，以及支援諸如聯機事務處理（OLTP）等事務性工作負載的最高IOPS。
（2）記憶體資料庫的工作負載
Apache
Spark和其他記憶體資料庫（IMDB）應用程式（依賴主記憶體進行資料存儲）通過持久存儲的存儲元件更改和掃描資料集，這些資料集的規模通常大于組合的叢集存儲器。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記憶體重載和相關資料掃描。
在采用SATA協定的情況下，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着節點總是失效，必須重新加載;然而，重新加載節點會将受影響的系統置于“降級模式”中，或者更糟的是在完全重建節點時，可能讓它們停止運作。
（3）物聯網工作負載
NVMe也非常适合整合各種資料源，特别是從較新的工業物聯網（IoT）工作負載産生的資料源。例如，一個工廠可以将數千個傳感器以每秒數千次将資料傳輸到NoSQL資料庫（如Mongo
DB或Cassandra），每秒數百kB。NVMe的進階帶寬對于将這些資源內建到資料庫中是至關重要的，同時提供足夠的帶寬和IOPS來執行分析。
物聯網裝置（例如自主駕駛汽車，無人機，工廠/農場機器和裝置，以及監控錄影機）也收集大量的資料。根據調研機構Gartner公司的研究，到2020年，每輛車輛的連接配接和自主汽車資料流量可能達到280PB，即每年2.8億GB。有效處理這些資料的唯一方法是通過車載閃存存儲和具有NVMe裝置的路邊網關。但是，即使使用這種基礎設施，大量自主駕駛的“車隊”也需要将處理後的資料推送到雲端進行存儲和分析，進而建立了一個資料海嘯，是以需要通過精簡的NVMe堆棧實作帶寬，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的裝置，特别是即将支援直接記憶體通路（DMA）擴充，使某些硬體子系統能夠獨立于CPU通路主系統記憶體。這種通路使得CPU不僅可以更快地讀取資料，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使用率，因為資料從多個SATA驅動器傳送到DRAM記憶體，然後使用主機CPU進入GPU。這個過程會導緻性能上的差距，特别是當GPU陣列資料不足時。
最後的思考
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，人們正在經曆資料中心的另一波轉變。然而，與過去的協定不同，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。是以，人們需要随時關注NVMe将通過計算的未來進行導航，進而實作強大而多功能的系統，并将其作為資料中心變革代理人的應有的地位。
本文轉自d1net（轉載）