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荣泉闪存系列科普SSD为什么需要NVMe？
目前大部分机械硬盘使用的是SATA(串行ATA高级主机控制器接口)接口，接口协议是AHCI，是Intel和几家公司共同开发的系统接口标准。AHCI的最大队列深度为32，即主机最多可以发送32条命令到HDD或SSD执行。在HDD时代，整个性能瓶颈是硬盘端，而不是接口和协议端，所以AHCI可以很好地匹配HDD。但是随着SSD硬盘技术的不断演进，底层闪存的带宽越来越高，介质访问延迟越来越低，系统的瓶颈已经从底层转移到了顶层的接口和协议。这时候你会发现SATA接口的SSD性能不会超过600 MB/s，你会觉得底层闪存的带宽不够，其实是SATA接口的速度限制了带宽。SATA 3.0的最大带宽为600MB/s..此时，AHCI和SATA已经不能满足高性能和低延迟固态硬盘的要求。要想充分释放固态硬盘的性能，就必须设计新的协议和接口。

在此背景下，2009年下半年，英特尔、Magnum、三星等厂商制定了专门服务于SSD的NVMe协议，以取代AHCI，NVMe应运而生。

NVMe(Non-Volatile Memory Express)，即非易失性存储器标准，是PCIe接口之上的协议标准，属于协议栈中的较高层。如下图所示:

NVMe是针对PCIe SSD的特点设计的。与传统的AHCI标准相比，NVMe标准可以带来许多性能上的改进。可以说，NVMe是为SSD而生的。

我们刚才提到了AHCI、萨塔、NVMe和PCIe。接下来，我们将通过层次图了解他们的关系和职责。

NVMe的特色和优势

如前所述，NVMe是主机和SSD之间的通信协议，在整个协议栈中处于应用层的位置。NVMe相当于指挥官向下级，也就是PCIe，发出命令去执行。它发出的任何命令都由PCIe完成。虽然AHCI也可以和PCI合伙，但是AHCI只有一个命令队列，最多只能同时发送32条命令，根本控制不了PCIe。NVMe是为PCIe SSD开发的windows sockets标准，定义了系统接口和命令集，目的是让性能更好，延迟更低，功耗更低，所以NVMe和PCIe的匹配无疑是目前最完美的。下面我们通过下图(注:图片来自Intel FMS 2012)比较一下AHCI和NVMe的特点。

与AHCI相比，NVMe有以下优势:

1.低延迟

SSD到CPU的路径更近:从SATA SSD到PCIe SSD，原生PCIe主控直接连接CPU，而不是像SATA那样连接南桥中转，所以PCIe的SSD延迟更低。如下图所示，PCIeSSD作为PCIeEndpoint(EP)，通过PCIe连接到RootComplex(RC)，RC连接到CPU和内存。

命令更简洁:与ATA规范定义的命令相比，NVMe的命令数量要少得多，完全是为SSD量身定制的。NVMe缩短了从CPU到SSD的指令路径。例如，NVMe减少了对寄存器的访问次数；使用MSI-X中断管理；并行和多线程优化——NVMe减少了CPU内核间的锁同步，等等。
众所周知，底层存储介质SSD比传统的机械硬盘要快很多；
因此，基于PCIe+NVMe的SSD具有非常低的延迟。

2.高带宽、高IOPS性能

理论上，IOPS与队列深度和IO延迟有关。数学表达式是:

IOPS=队列深度/IO延迟

从上面的表达式可以看出，IOPS与队列深度有很大的关系。注意:实际中，随着队列深度的增加，IO延迟也会相应增加。

通常情况下，SATA接口的SSD的队列深度可以达到32，但这是AHCI所能做到的极限。但目前企业级PCIeSSD的队列深度要达到128甚至256才能达到最高的IOPS性能。在NVMe标准下，最大队列深度可以达到64K，队列数量从AHCI的1个增加到了64K。此外，PCIe接口本身在性能上碾压SATA，这使得NVMe SSD在性能上碾压SATA SSD也就顺理成章了。

NVMeSSD和SATA SSD的性能对比图

3.低功耗

NVMe增加了用电状态自动切换和动态能耗管理功能。NVMe规范支持1-32种电源状态(PS)。当主机开启自动电源状态转换功能时，您可以根据自己的喜好设置空闲时间自动转换其他电源状态。

写到最后

那么，严蓉追光F8000X全闪存文件存储对NVMe性能做了哪些优化？

存储处理器资源不仅负责RDMA网络数据包收发处理逻辑，还负责向磁盘转发IO，并负责磁盘读写开销。对于传统的机械硬盘来说，大量的线程可以用来挤压磁盘性能，但是这种方法对于NVMe SSD来说是不现实的。因此，严蓉追光F8000X全闪存文件存储采用异步无阻塞IO模式，有效减少上下文切换，实现全路径零拷贝，支持批量提交和恢复，增加并行能力:

减少用户到内核的复制:通常POSIX I/O，比如read()和write()，每次从用户到内核复制一次用户数据。采用异步非阻塞DMA操作，既避免了复制，又减轻了CPU负荷。
减少上下文切换:OS发出系统调用请求后，会处理其他任务，等待中断通知，然后跟随上下文处理后续任务。对于慢速介质来说是可以的，但是对于NVMe SSD这样的高速介质来说，实际上请求发送后很快就结束了，通过中断切换上下文代价太大。所以不如直接通过轮询，相当于用CPU资源换取低延迟。每个磁盘都会启动一个线程一直轮询，当有任务到来时，会立即感知事件进行处理，提高了IOPS，减少了延迟。
增加并行性:采用异步多队列线程池模型，减少锁冲突，充分发挥IO并行性。
艳追光F8000X全闪存文件存储采用全NVMeSSD，通过深度I/O模型的优化设计，可以充分利用NVMe的多队列特性，获得更高的IOPS性能。同时高效分配处理器内核资源，支持网络级的高并发数据收发处理，同时避免大量线程的调度开销，充分发挥NVMe SSD磁盘的性能。

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