随着固态硬碟在市場上的大量應用,大資料時代之下的AI、人工智能、高規格視訊等應用與技術對存儲的要求也越來越高。固态硬碟NAND層數越來越密,主要性能也逐年攀升,與固态硬碟相關的技術、規範也在随之更新。
其中,SATA率先成為個人電腦中連接配接SSD的主要方式。但是由于設計之初SATA作為串行接口,采用AHCI規範,隻有1個深度為32的指令隊列。伴随着時間的推移,越來越難滿足速度日益提高的SSD。于是,高端SSD開始采用PCIe總線以提供更高性能,但由于沒有統一标準,需使用非标準規範的接口。

NVMe的技術工作始于2009年,由來自全球90多家公司組成的NVM Express工作組制定相關規範。由于其擁有65535個指令隊列,每個隊列都可以深達65536個指令,同時也充分使用了MSI的2048個中斷向量優勢,大大減小延遲。NVMe在性能和标準化上的大為改進,成為了衆多公司所推崇的規範。
2011年,NVMe 1.0版本正式推出,最大帶寬為1200MB/s;
2012年,IDT釋出了第一批商用NVMe晶片組;
2013年,三星推出第一款NVMe固态硬碟;
2014年,NVMe正式注冊成立集團,由來自行業中超過65家公司組成,共同維護和促進NVM Express規範的推行;
2017年,推出的NVMe 1.3在PCIe Gen3 SSD上得以大量應用;
2019年,NVMe1.4推出,成為PCIe Gen4 SSD的标配;
2021年6月,NVMe 2.0推出,到2022年1月,NVMe 2.0b推出,進一步完善。重組後的NVMe 2.0規範支援更快更簡易地開發NVMe解決方案,在此前的基礎上增加了對機械硬碟的支援,并且新增了可擴充性的指令集,如:分區命名空間(ZNS)以及鍵值(KV)等新功能。
經過多次更新後,NVMe 2.0規範中的ZNS現已支援根據資料使用頻率進行分區,并将它們按順序存儲在固态硬碟内的獨立區域,進而減少對存儲資料的重寫和重新排列,降低硬碟的寫入放大系數(write amplification factor,WAF),最終實作整體硬碟的性能和壽命的提高。
ZNS還能減少固态硬碟對于DRAM緩存容量的需求。在傳統固态硬碟上,需要按照1GB:1MB的比例配置DRAM緩存,才能保證固态硬碟保持出色的存儲速度。而在ZNS固态硬碟上,每個映射分區的容量從4KB上升到了幾十或者幾百MB,對于容量更大的企業級硬碟而言則能省下更多DRAM緩存容量。
預計ZNS可減少8倍的DRAM緩存容量需求,并減少約10倍的OP預留白間需求。在此基礎上,既降低的DRAM緩存配置成本,同時又提高了使用者可使用硬碟容量,不僅是對于消費級固态硬碟,對于更大容量的企業級固态硬碟同樣有着不可小觑的吸引力。
KV(key-value)指令集是 NVMe 2.0 的另一個重要功能,KV指令集将允許應用程式使用KV對(key-value pairs)與硬碟控制器通信,而不是通過塊位址。以免除鍵和邏輯區塊之間不必要的轉換表(translation tables),降低CPU計算負荷進而降低整體開銷。
Endurance Group Management同樣是NVMe 2.0規範中的一項重要功能,通過這種全新的存儲管理機制,可以靈活并動态地調節SSD配置,以實作動态容量管理和混合式NAND操作。以提升SSD的通路力度,并在整體上實作對儲存設備更好的控制。
以上功能點的實作,離不開固态硬碟的主要晶片。根據ZNS分區命名空間,慧榮科技獨家的硬體和固件技術,能根據不同應用需求将工作負載分别安排在不同的微處理器上,在NAND Flash實作Zone分割的同時也對主要晶片做隔離化處理,實作更靈活的控制調節和更高效能優化。
在諸多優點和改進下,NVMe将會為企業級固态硬碟帶來更長使用壽命、更靈活管理機制和更低開銷,将會成為企業級固态硬碟下一個重要技術節點趨勢。慧榮科技作為全球領先的閃存主要晶片制造商,始終緊跟業界動态,積極應對創新技術和規範,NVMe 2.0産品及解決方案即将準備就緒,為大資料時代下的資料中心提供更高性能、更具BOM優勢的企業級存儲解決方案。