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NVMe究竟有什么好？跟AHCI相比，它有哪些优势？

时间：2018-06-12 16:24来源：ssdfans

摘要：HDD和早期SSD绝大多数都是使用SATA接口，跑的是AHCI（AdvancedHostControllerInterface），它是由Intel联合多家公司研发的系统接口标准。

HDD和早期SSD绝大多数都是使用SATA接口，跑的是AHCI（Advanced Host Controller Interface），它是由Intel联合多家公司研发的系统接口标准。AHCI支持NCQ（Native Command Queuing）功能和热插拔技术。NCQ最大深度为32，即主机可以发最多32条命令给HDD或者SSD执行，跟之前硬盘只能一条命令一条命令执行相比，硬盘性能大幅提升。

这在HDD时代，或者SSD早期，AHCI协议和SATA接口足够满足系统性能需求，因为整个系统性能瓶颈在硬盘端（低速，高延时），而不是在协议和接口端。然而，随着SSD技术的飞速发展，SSD盘的性能飙升，底层闪存带宽越来越宽，介质访问延时越来越低，系统性能瓶颈已经由下转移到上面的接口和协议处了。AHCI和SATA已经不能满足高性能和低延时SSD的需求，因此SSD迫切需要自己更快、更高效的协议和接口。

时势造英雄，在这样的背景下，NVMe横空出世。2009年下半年，在带头大哥Intel领导下，美光、戴尔、三星、Marvell等巨头，一起制定了专门为SSD服务的NVMe协议，旨在让SSD从老旧的SATA和AHCI中解放出来。

何为NVMe？Non-Volatile Memory Express，非易失性存储器标准，是跑在PCIe接口上的协议标准。NVMe的设计之初就有充分利用到PCIe SSD的低延时以及并行性，还有当代处理器、平台与应用的并行性。SSD的并行性可以充分被主机的硬件与软件充分利用，相比于现在的AHCI标准，NVMe标准可以带来多方面的性能提升。NVMe为SSD而生，但不局限于以闪存为媒介的SSD，它同样可以应用在高性能和低延时的3D XPoint这类新型的介质上。

首款支持NVMe标准的产品是三星XS1715，于2013年7月发布。随后陆续有企业级的NVMe标准SSD推出。2015年Intel 750发布，标志NVMe标准的产品开始进入消费级市场。如今市面上已经出现很多NVMe SSD产品，包括企业级和消费级，如果说前几年NVMe SSD是阳春白雪，现如今已是下里巴人，NVMe SSD已慢慢进入寻常百姓家（笔者的小本上就是用的PCIe+NVMe的SSD）。

需要指出的是，在移动设备上，NVMe也有一席之地。苹果自IPhone 6s开始，其存储设备上跑的就是NVMe协议标准。未来移动存储的方向，笔者认为不是UFS，当然更不不会是eMMC，而是NVMe。拭目以待吧。

那么，NVMe究竟有什么好？跟AHCI相比，它有哪些优势？

NVMe和AHCI相比，它的优势主要体现在以下几点：
• 低时延（Latency）
造成硬盘存储时延的三大因素：存储介质本身、控制器以及软件接口标准。
存储介质层面，闪存（Flash）比传统机械硬盘速度快的太多；
控制器方面，从SATA SSD发展成PCIe SSD，原生PCIe主控与CPU直接相连，而不是传统方式，通过南桥控制器中转，再连接CPU，因此基于PCIe的SSD时延更低；
软件接口方面，NVMe缩短了CPU到SSD的指令路径，比如NVMe减少了对寄存器的访问次数；MSI-X和中断管理的应用；并行&多线程优化，NVMe减少了各个CPU核之间的锁同步操作…
所以基于PCIe+NVMe的SSD，具有非常低的延时。

 
图1-1 时延对比
 
• 高性能（Throughput & IOPS）
理论上，IOPS=队列深度/ IO延迟，故IOPS的性能，与队列深度有较大的关系（但IOPS并不与队列深度成正比，因为实际应用中，随着队列深度的增大，IO延迟也会提高）。市面上性能不错的SATA接口SSD，在队列深度上都可以达到32，然而这也是AHCI所能做到的极限。但目前高端的企业级PCIe SSD，其队列深度可能要达到128，甚至是256才能够发挥出最高的IOPS性能。而NVMe标准下，最大的队列深度可达64K。此外，NVMe的队列数量也从AHCI的1，提高到了64K。
PCIe接口本身在性能上碾压SATA，再加上NVMe具有比AHCI更深、更宽的命令队列，NVMe SSD在性能上秒杀SATA SSD是水到渠成的事情。图是NVMe SSD，SAS SSD和SATA SSD性能对比图：
 
图1-2 NVMe，SAS和SATA SSD性能对比图
 
• 低功耗
NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能,本书的电源管理篇会作介绍。
SATA和NVMe还有其他的区别。
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