NVMe究竟有什么好？跟AHCI相比，它有哪些優(yōu)勢？

HDD和早期SSD絕大多數(shù)都是使用SATA接口，跑的是AHCI（Advanced Host Controller Interface），它是由Intel聯(lián)合多家公司研發(fā)的系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)。AHCI支持NCQ（Native Command Queuing）功能和熱插拔技術(shù)。NCQ最大深度為32，即主機(jī)可以發(fā)最多32條命令給HDD或者SSD執(zhí)行，跟之前硬盤只能一條命令一條命令執(zhí)行相比，硬盤性能大幅提升。

這在HDD時(shí)代，或者SSD早期，AHCI協(xié)議和SATA接口足夠滿足系統(tǒng)性能需求，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)性能瓶頸在硬盤端（低速，高延時(shí)），而不是在協(xié)議和接口端。然而，隨著SSD技術(shù)的飛速發(fā)展，SSD盤的性能飆升，底層閃存帶寬越來越寬，介質(zhì)訪問延時(shí)越來越低，系統(tǒng)性能瓶頸已經(jīng)由下轉(zhuǎn)移到上面的接口和協(xié)議處了。AHCI和SATA已經(jīng)不能滿足高性能和低延時(shí)SSD的需求，因此SSD迫切需要自己更快、更高效的協(xié)議和接口。

時(shí)勢造英雄，在這樣的背景下，NVMe橫空出世。2009年下半年，在帶頭大哥Intel領(lǐng)導(dǎo)下，美光、戴爾、三星、Marvell等巨頭，一起制定了專門為SSD服務(wù)的NVMe協(xié)議，旨在讓SSD從老舊的SATA和AHCI中解放出來。

何為NVMe？Non-Volatile Memory Express，非易失性存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)，是跑在PCIe接口上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。NVMe的設(shè)計(jì)之初就有充分利用到PCIe SSD的低延時(shí)以及并行性，還有當(dāng)代處理器、平臺(tái)與應(yīng)用的并行性。SSD的并行性可以充分被主機(jī)的硬件與軟件充分利用，相比于現(xiàn)在的AHCI標(biāo)準(zhǔn)，NVMe標(biāo)準(zhǔn)可以帶來多方面的性能提升。NVMe為SSD而生，但不局限于以閃存為媒介的SSD，它同樣可以應(yīng)用在高性能和低延時(shí)的3D XPoint這類新型的介質(zhì)上。

首款支持NVMe標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品是三星XS1715，于2013年7月發(fā)布。隨后陸續(xù)有企業(yè)級(jí)的NVMe標(biāo)準(zhǔn)SSD推出。2015年Intel 750發(fā)布，標(biāo)志NVMe標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品開始進(jìn)入消費(fèi)級(jí)市場。如今市面上已經(jīng)出現(xiàn)很多NVMe SSD產(chǎn)品，包括企業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)，如果說前幾年NVMe SSD是陽春白雪，現(xiàn)如今已是下里巴人，NVMe SSD已慢慢進(jìn)入尋常百姓家（筆者的小本上就是用的PCIe+NVMe的SSD）。

需要指出的是，在移動(dòng)設(shè)備上，NVMe也有一席之地。蘋果自IPhone 6s開始，其存儲(chǔ)設(shè)備上跑的就是NVMe協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。未來移動(dòng)存儲(chǔ)的方向，筆者認(rèn)為不是UFS，當(dāng)然更不不會(huì)是eMMC，而是NVMe。拭目以待吧。

那么，NVMe究竟有什么好？跟AHCI相比，它有哪些優(yōu)勢？

NVMe和AHCI相比，它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

l低時(shí)延（Latency）

造成硬盤存儲(chǔ)時(shí)延的三大因素：存儲(chǔ)介質(zhì)本身、控制器以及軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。

存儲(chǔ)介質(zhì)層面，閃存（Flash）比傳統(tǒng)機(jī)械硬盤速度快的太多；

控制器方面，從SATA SSD發(fā)展成PCIe SSD，原生PCIe主控與CPU直接相連，而不是傳統(tǒng)方式，通過南橋控制器中轉(zhuǎn)，再連接CPU，因此基于PCIe的SSD時(shí)延更低；

軟件接口方面，NVMe縮短了CPU到SSD的指令路徑，比如NVMe減少了對(duì)寄存器的訪問次數(shù)；MSI-X和中斷管理的應(yīng)用；并行&多線程優(yōu)化，NVMe減少了各個(gè)CPU核之間的鎖同步操作…

所以基于PCIe+NVMe的SSD，具有非常低的延時(shí)。

圖1-1 時(shí)延對(duì)比

l高性能（Throughput & IOPS）

理論上，IOPS=隊(duì)列深度/ IO延遲，故IOPS的性能，與隊(duì)列深度有較大的關(guān)系（但I(xiàn)OPS并不與隊(duì)列深度成正比，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中，隨著隊(duì)列深度的增大，IO延遲也會(huì)提高）。市面上性能不錯(cuò)的SATA接口SSD，在隊(duì)列深度上都可以達(dá)到32，然而這也是AHCI所能做到的極限。但目前高端的企業(yè)級(jí)PCIe SSD，其隊(duì)列深度可能要達(dá)到128，甚至是256才能夠發(fā)揮出最高的IOPS性能。而NVMe標(biāo)準(zhǔn)下，最大的隊(duì)列深度可達(dá)64K。此外，NVMe的隊(duì)列數(shù)量也從AHCI的1，提高到了64K。

PCIe接口本身在性能上碾壓SATA，再加上NVMe具有比AHCI更深、更寬的命令隊(duì)列，NVMe SSD在性能上秒殺SATA SSD是水到渠成的事情。圖是NVMe SSD，SAS SSD和SATA SSD性能對(duì)比圖：

圖1-2 NVMe，SAS和SATA SSD性能對(duì)比圖

l低功耗

NVMe加入了自動(dòng)功耗狀態(tài)切換和動(dòng)態(tài)能耗管理功能,本書的電源管理篇會(huì)作介紹。

SATA和NVMe還有其他的區(qū)別。