重构非易失性内存标准(NVMe) 应对未来更高存储需求

shuszhao · 发表于 2021-7-30 13:16:50

非易失性内存标准(NVMe) 规范正在被重新制定。
在保证前几代产品能够向后兼容的同时，NVMe 2.0 能够在日益多样化的设备环境下进行更快、更简单的开发，甚至包括硬盘驱动器(HDD)。NVM Express总裁Amber Huffman 表示：重新构建 NVMe 就是为了应对未来存储的更高需求。NVMe还支持独立开发的命令集，例如分区命名空间 (ZNS) 和键值 (KV)，并支持与NVMe和NVMe-of Is Ready to Go the Distance通用的各种底层传输协议。
NVMe从最初的工作组发展成为一个完善的组织机构，负责维护一个规范库，该规范库包含多个文档（例如基本规范、命令集、传输以及管理接口规范）。NVMe 设备生态系统涵盖了企业级和客户端固态硬盘 (SSD)、可移动存储卡、计算加速器和硬盘驱动器 (HDD)。

NVMe 2.0经过了多次更新后，ZNS 规范现可为分区存储设备提供接口，并通过将数据与SSD物理介质匹配，使SSD和主机能够协作放置数据。这有助于提高设备整体性能并降低成本，同时还增加了主机能搭载的存储容量。技术工作组（Technical Work Group）的主席Peter Onufry表示：随着新命令集的添加， NVM会需要不同类型的命名空间。NVMe 2.0中的ZNS功能则搭载了一个可支持多个命令集的架构。
三星电子最近推出了采用ZNS技术的新型企业级固态硬盘（SSD），该硬盘最大程度提升了用户容量，并延长了存储服务器、数据中心和云环境的使用寿命。由于 ZNS 允许根据数据的使用情况和访问频率对数据进行分组，并将它们按顺序存储在 SSD内的独立区域中，因此这样做可以降低驱动器的写入放大系数 (WAF)。据三星称，写入操作的次数越少，SSD的效率越高，使用寿命也越长（可比传统SSD长四倍），因此该SSD将成为服务器基础设施更可持续、更环保的选择。

图1: NVMe 2.0在简化基本规范的同时还剔除了一些功能，更为简洁和清晰。（图片来源：NVM Express）

NVMe 2.0 中的Endurance Group Management 功能可以进一步延长SSD的使用寿命。该功能通过公开SSD的存取粒度并对其加以控制，使媒体能够被配置到 Endurance Group 中。Onufry 表示：“Endurance Group Management 的作用是让您可以创建多个NVM池，然后从这些池中创建命名空间”。例如，NAND 存储块就可以放置在SLC（单层单元存储）或TCL（三层单元存储）模式中。
KV命令集是NVMe 2.0 的另一个重要功能，它在对NVMe SSD控制器上的数据进行访问时，使用的是密钥而不是块地址。这使应用能够使用键值对（KV pairs）直接与驱动器通信，并消除键和逻辑块之间不必要的转换表。
NVMe 2.0 通过功能升级、管理容量、以及其它增强功能（例如从驱动器中提取可靠信息）来支持HDD。Onufry 表示：“当我们创造 NVMe时，我们其实想要针对的是NVM。不仅仅是 NAND，我们从未想过人们会想要将硬盘与NVMe连接。”他说，随着SCSI（小型计算机系统接口）被 PCIe（总线和接口标准）或 NVMe取代，我们需要一种能够继续兼容硬盘驱动器的方法。
Huffman表示：“NVMe 2.0中这样那样的功能看起来非常繁杂，所以为了简单起见，我们对它的基本规范进行了重构，让它不至于变得太过于复杂，这样在进行修改时，我们就不用担心是否会影响到设备的其它部分。如果你关心的是KV或者Endurance Group，你也可以只选择与之相关的部分。”

图2: 三星电子最近推出了新的企业级 SSD，该SSD使用了 NVMe 2.0 规范中的 ZNS 功能。（图片来源：三星）

Huffman说，重构的一部分是去除传输和命令等元素。这说明 PCIe（周边设备高速连接标准）不再是唯一能搭载 TCP（传输控制协议）和 RDMA（远程直接数据存取）的传输方式。就像当初只有块命令集时，添加了KV的命令集也是如此。将这些规范抽取出来能够让用户构建他们想要的设备。与此同时，NVMe-oF于2016年5月被首次单独推出，现在它已成为了基本规范的一部分。
Onufry 表示，从基本规范中剔除不必要部分可以实现持续创新，并使构建设备的用户更专注于他们在意的功能，而不必担心对其他功能造成影响。他说，即使某一项功能没有完全实现，整个NVMe规范也不会被拖累。“我们正努力实现彻底的分区。”