NVMe 2.0 SSD 的主要功能

分區名稱空間、關鍵值、Endurance 組管理

作者王啟任 | 2021 年 8 月 9 日 | 全部, 企業

NVM Express® (NVMe®) 接口允許主機軟件與非易失性內存子系統進行通信。它定義了協議並提高了 PCIe NVMe SSD 的性能。

2021 年 6 月， NVMe 2.0發布，標準化一些額外的功能和改進，特別是對於數據中心。但最顯著的變化是“重構”，NVM Express對原有的NVMe1.4、NVMe-MI和NVMe-oF進行了重構，使最新的NVMe規範更具可擴展性和可擴展性。

NVMe 2.0重構

最新 NVMe 重構的規模是該版本編號為 2.0 而不是 1.5 的原因。 NVMe 2.0 中包含的重構可以更快、更簡單地開發 NVMe 解決方案，以支持日益多樣化的 NVMe 設備環境。

以前的版本包括 NVMe 1.4 基本規範、NVMe-MI 和 NVMe-Of 規範。然而，最新的NVMe 2.0規範庫包含四組規範，總共八個文檔：

1. NVMe基礎規範

• NVMe 基礎規範

2. 每個命令集單獨的規範

• NVM 命令集規範
• 分區命名空間命令集規範
• 鍵值命令集規範

3. 模塊化傳輸映射層

• PCIe 傳輸規範
• RDMA 傳輸規範
• TCP 傳輸規範

4.NVMe管理接口

• NVMe-MI

NVMe 2.0 中的重構包括集成 NVMe 和 NVMe over Fabrics (NVMe-oF) 規範，以及為每個命令集和每個傳輸映射層創建單獨的規範。例如，PCIe 已分解為一種傳輸規範。

NVMe 2.0 的主要功能

除了重構和發布以前規範中隱藏的技術提案外，NVMe 2.0 系列規範還包括四個關鍵功能。

分區命名空間 (ZNS)

此功能提供了允許 NVMe SSD 和主機協作進行數據放置的接口。它可以將數據與SSD的物理介質對齊，從而提高整體性能並增加可以暴露給主機的容量。更重要的是，ZNS 顯著改善了寫放大。也就是說，使用ZNS可以延長NVMe SSD的使用壽命。

分區命名空間命令集規範定義了 ZNS SSD 的操作方式。 ZNS SSD 的三個重要運行特性是：

1. 分區命名空間被劃分為一組大小相等的區域，這些區域是連續的、不重疊的邏輯塊地址範圍。
2. 區域內的寫入必須是連續的，並且從“寫入指針”的位置開始。
3. 每個區域必須先擦除後才能重寫。

鍵值命令集

2000年代末後非結構化數據的爆發推動了非關係數據庫的發展。鍵值數據庫是一種非關係型數據庫，使用簡單的鍵值方法來存儲數據。鍵和值都可以是任何東西。這種類型的數據庫是高度分佈式的，並且允許水平擴展，其規模是其他類型的數據庫無法實現的。然而，在鍵值數據庫中可能需要將數據組織成日誌結構合併樹（LSMT）。除了原始數據寫入之外，此操作還涉及更多的寫入周期，並導致 SSD 的使用壽命縮短。

NVMe-KV就是為了解決這個問題而開發的。它允許使用密鑰而不是邏輯塊地址訪問 NVMe SSD 命名空間上的數據。 NVMe-KV 命令集提供了在非易失性介質上存儲相應值的密鑰，然後通過指定相應的密鑰從介質中檢索該值。通過遵循 SNIA 定義的 NVMe-KV 命令集和鍵值存儲 API 規範，KV SSD 允許用戶訪問鍵值數據，而無需在鍵和邏輯塊之間添加昂貴且耗時的額外轉換錶 [4] 。

NVMe 耐力組管理

NVMe 耐力組管理允許將介質配置為耐力組和 NVM 集。這可以實現對 SSD 的訪問粒度並改進控制。

Endurance Group 和 NVM 集首次在 NVMe 1.4 中引入，但客戶配置它們的能力有限。配置要么需要在驅動器的固件中進行硬編碼，要么使用供應商特定的命令進行處理。 NVMe 2.0為用戶提供了分配Endurance Group和NVM集的機制。有了更多的可配置參數，NVM子系統可以更加靈活地隔離不同用戶在共享驅動器或陣列上的I/O性能影響和磨損均衡操作。

下圖顯示了 NVMe 存儲實體層次結構：

1. NVM子系統包含域
2. 域包含耐力組
3. 耐力組包含 NVM 組
4. NVM集包含命名空間
5. 命名空間包含邏輯塊數組

NVMe 2.0 現在支持 HDD（旋轉介質）

儘管SATA規範已經12年沒有更新，但硬盤仍然無法接近SATA接口的理論帶寬（600MB/s）。因此，我們預計 NVMe 2.0 的旋轉介質支持不會為 HDD 的性能帶來立竿見影的好處。 NVMe 支持旋轉介質的關鍵原因是提高整體系統的可組合性。高度可組合的系統提供可以選擇並以各種組合方式組裝的組件，以滿足特定的用戶需求。此功能將使數據中心和企業環境受益。

NVMe 2.0較1.4有顯著改進

從NVMe 2.0的新特性來看，很明顯NVMe現在正在關注企業和數據中心的需求。結果一點也不令人意外。正如 IDC 研究副總裁 Jeff Janukowicz 所說：“NVMe 技術是 SSD 的領先接口，預計到 2024 年，全球企業級 SSD 總體容量將以 43% 的複合年增長率增長。NVMe 架構專為未來 SSD 發展而設計，隨著我們進入推動數字化轉型的超大規模和企業計算的新時代。”