NVMe 2.0 SSD 的主要功能

分区名称空间、关键值、Endurance 组管理

作者 Rick Wang | 2021 年 8 月 9 日 | 全部, 企业

NVM Express® (NVMe®) 接口允许主机软件与非易失性内存子系统进行通信。它定义了协议并提高了 PCIe NVMe SSD 的性能。

2021 年 6 月， NVMe 2.0发布，标准化一些额外的功能和改进，特别是对于数据中心。但最显着的变化是“重构”，NVM Express对原有的NVMe1.4、NVMe-MI和NVMe-oF进行了重构，使最新的NVMe规范更具可扩展性和可扩展性。

NVMe 2.0重构

最新 NVMe 重构的规模是该版本编号为 2.0 而不是 1.5 的原因。 NVMe 2.0 中包含的重构可以更快、更简单地开发 NVMe 解决方案，以支持日益多样化的 NVMe 设备环境。

以前的版本包括 NVMe 1.4 基本规范、NVMe-MI 和 NVMe-Of 规范。然而，最新的NVMe 2.0规范库包含四组规范，总共八个文档：

1. NVMe基础规范

• NVMe 基础规范

2. 每个命令集单独的规范

• NVM 命令集规范
• 分区命名空间命令集规范
• 键值命令集规范

3. 模块化传输映射层

• PCIe 传输规范
• RDMA 传输规范
• TCP 传输规范

4.NVMe管理接口

• NVMe-MI

NVMe 2.0 中的重构包括集成 NVMe 和 NVMe over Fabrics (NVMe-oF) 规范，以及为每个命令集和每个传输映射层创建单独的规范。例如，PCIe 已分解为一种传输规范。

NVMe 2.0 的主要功能

除了重构和发布以前规范中隐藏的技术提案外，NVMe 2.0 系列规范还包括四个关键功能。

分区命名空间 (ZNS)

此功能提供了允许 NVMe SSD 和主机协作进行数据放置的接口。它可以将数据与SSD的物理介质对齐，从而提高整体性能并增加可以暴露给主机的容量。更重要的是，ZNS 显着改善了写放大。也就是说，使用ZNS可以延长NVMe SSD的使用寿命。

分区命名空间命令集规范定义了 ZNS SSD 的操作方式。 ZNS SSD 的三个重要运行特性是：

1. 分区命名空间被划分为一组大小相等的区域，这些区域是连续的、不重叠的逻辑块地址范围。
2. 区域内的写入必须是连续的，并且从“写入指针”的位置开始。
3. 每个区域必须先擦除后才能重写。

键值命令集

2000年代末后非结构化数据的爆发推动了非关系数据库的发展。键值数据库是一种非关系型数据库，使用简单的键值方法来存储数据。键和值都可以是任何东西。这种类型的数据库是高度分布式的，并且允许水平扩展，其规模是其他类型的数据库无法实现的。然而，在键值数据库中可能需要将数据组织成日志结构合并树（LSMT）。除了原始数据写入之外，此操作还涉及更多的写入周期，并导致 SSD 的使用寿命缩短。

NVMe-KV就是为了解决这个问题而开发的。它允许使用密钥而不是逻辑块地址访问 NVMe SSD 命名空间上的数据。 NVMe-KV 命令集提供了在非易失性介质上存储相应值的密钥，然后通过指定相应的密钥从介质中检索该值。通过遵循 SNIA 定义的 NVMe-KV 命令集和键值存储 API 规范，KV SSD 允许用户访问键值数据，而无需在键和逻辑块之间添加昂贵且耗时的额外转换表 [4] 。

NVMe 耐力组管理

NVMe 耐力组管理允许将介质配置为耐力组和 NVM 集。这可以实现对 SSD 的访问粒度并改进控制。

Endurance Group 和 NVM 集首次在 NVMe 1.4 中引入，但客户配置它们的能力有限。配置要么需要在驱动器的固件中进行硬编码，要么使用供应商特定的命令进行处理。 NVMe 2.0为用户提供了分配Endurance Group和NVM集的机制。有了更多的可配置参数，NVM子系统可以更加灵活地隔离不同用户在共享驱动器或阵列上的I/O性能影响和磨损均衡操作。

下图显示了 NVMe 存储实体层次结构：

1. NVM子系统包含域
2. 域包含耐力组
3. 耐力组包含 NVM 组
4. NVM集包含命名空间
5. 命名空间包含逻辑块数组

NVMe 2.0 现在支持 HDD（旋转介质）

尽管SATA规范已经12年没有更新，但硬盘仍然无法接近SATA接口的理论带宽（600MB/s）。因此，我们预计 NVMe 2.0 的旋转介质支持不会为 HDD 的性能带来立竿见影的好处。 NVMe 支持旋转介质的关键原因是提高整体系统的可组合性。高度可组合的系统提供可以选择并以各种组合方式组装的组件，以满足特定的用户需求。此功能将使数据中心和企业环境受益。

NVMe 2.0较1.4有显着改进

从NVMe 2.0的新特性来看，很明显NVMe现在正在关注企业和数据中心的需求。结果一点也不令人意外。正如 IDC 研究副总裁 Jeff Janukowicz 所言：“NVMe 技术是 SSD 的领先接口，预计到 2024 年，全球企业级 SSD 总体容量将以 43% 的复合年增长率增长。NVMe 架构专为未来 SSD 发展而设计，随着我们进入推动数字化转型的超大规模和企业计算的新时代。”