NVM Express® 標準或 NVMe® 是 SSD 的領先介面技術，從資料中心到筆記型電腦再到手機，絕大多數運算系統都在使用這項技術。2021 年 6 月 2 日，NVM Express 公開發佈了一組適用於各種應用的非揮發性記憶體規範。NVMe 2.0 除了對現有規範進行全面重整外，還增加了許多重要的新功能。NVMe 委員會成員和使用者對下一步的發展感到興奮。讓我們來探究一下原因。
傳統硬碟的限制之一是，如果您需要的下一個資料區塊在實際物理磁碟的另一側，您就必須等待磁碟旋轉，直至它到達讀取頭。當然，基於快閃記憶體的固態硬碟沒有這個問題：每個區塊的「距離」都一樣。但舊的介面標準在編寫時以該限制為考量。2011 年發佈的第一個 NVMe 規範就是為了釋放 SSD 的潛力，讓應用程式充分利用額外的效能。
有什麼新變化？
最近一次公開發佈的規範是 NVMe 1.4（2019 年 6 月 10 日），其中包括三個規範：
- NVMe 基礎規範
- NVMe 管理介面 (MI) 規範，涵蓋透過「帶外」機制監控、配置和管理 NVMe 裝置的相關操作，這意味著這些操作與讀／寫操作分開
- NVMe over Fabrics (NVMe-oF) 規範，增加了對網絡協議的支持，使構建高效能儲存裝置網絡或「網狀架構」成為可能
NVME 2.0 對規範進行了重構，以實現「更快、更簡單的研發」。從基礎文件中分離出來的不是一份非常大的文件，而是特定的區域。儘管可能需要使用多份文件，但這些文件應能讓使用者清楚地知道從哪裡獲取有關特定主題的資訊。因此，目前有八個規範：
- NVMe 基礎規範 2.0
- NVM 指令集規範 1.0
- 區位命名空間指令集規範 1.0
- PCIe 傳輸規範 1.0
- 管理介面 1.2
- RDMA 運輸規範 1.0
- TCP 傳輸規範 1.0
- 鍵值指令集規範 1.0
下圖顯示了所有這些規範之間的關係。
圖表：NVM Express, Inc.
區位命名空間 (ZNS)
這是一項重要的研發，可幫助應用程式實現更高的效能，同時提高基於 NAND 儲存裝置的使用壽命。ZNS 允許一個硬碟顯示為分配給不同執行緒的多個硬碟，而不是將許多硬碟任意組織成一個或多個邏輯硬碟。該規範定義了區位命名空間和相關的區位命名空間指令集。區位命名空間將命名空間的邏輯地址空間劃分為多個區。每個區都是一個邏輯區塊範圍，按順序寫入，但如果重寫，則會重置。該介面允許區位命名空間暴露內部裝置結構的自然邊界，並將內部對照表的管理轉移到主機。
NVM 集和耐用性群組管理
美光積極參與這項功能的研發，因為它允許將各種類型的記憶體（如 SLC、TLC 等）用於特定應用。它定義了耐用性群組和 NVM 集互通管理的介面，並允許對域進行配置和管理。耐用性群組類似於冷熱儲存裝置的自動分層，適用於需要經常存取但不一定需要快速存取的資料。
簡單複製指令
該功能定義了簡單複製指令，主機可使用該指令將資料從一個或多個源邏輯區塊範圍複製到單個連續的目標邏輯區塊範圍。資料可在裝置內複製，無需跨 PCI Express (PCIe) 介面傳輸資料，從而減少了介面流量，提高了效能。
網域和分割區
該功能透過界定能力來擴充 NVMe 架構，從而實現具有不同網域的大規模環境以及對網域進行分割的可能性。該功能在單個裝置上有多種快閃記憶體類型（如 SLC、TLC、QLC 等）時特別有用，並且，它允許系統的一部分離線進行維護，而其餘部分繼續運行。
指令和功能鎖定
這是一項重要的安全增強功能，允許主機和管理實體禁止執行某些指令和 Set Feature 指令功能。例如，雖然允許執行特定硬碟的一般讀取／寫入指令，但所有管理指令可能被鎖定。
命名空間類型
此功能可擴充 NVMe 架構，以支援不同類型的命名空間。例如，命名空間可能包含具有特殊存取規則的邏輯區塊，或包含邏輯區塊以外內容的命名空間，例如鍵值對。
旋轉介質
該功能為傳統硬碟增加 NVMe 支援。這是一個很好的例子，說明 NVMe 正在努力拓寬其範圍，透過使用單一儲存連線來連接各種持久性介質，從而簡化生態系統。
向前邁進
遵循這些規範非常重要，因為 2.0 規範已經有多項變更要求。未來還將提供一些功能：每 I/O 金鑰、區位隨機寫入區域 (ZRWA) 和運算儲存。這些都是正在積極研發的重要而複雜的功能，我將在今後的文章中進行探討。
驅動程式和 SSD 提供商面臨的一個重大問題是：從 1.4 升級到 2.0 最起碼需要做哪些更改？ 這樣的討論很重要，但很快會變得非常專業。我們對此有自己的看法，並且我們很樂意與大家分享，如果您想進一步探討，請聯絡我 (whubis@micron.com)。
美光一直是 NVMe 2.0 規範的重要支持者，也是許多新功能研發的貢獻者，這些新功能為系統架構師和應用研發人員帶來了許多非常有趣的可能性。今後，我們將繼續發揮積極作用，為該規範引入新的有價值的功能，讓持久性儲存裝置的使用者受益。
有關美光 NVMe SSD 的更多資訊，請造訪 micron.com 的資料中心 SSD 頁面