基于 NVMe 的存储设计中值得关注的四个趋势

NVM Express （NVMe） 是一种用于固态驱动器 （SSD） 的通信接口，它正在打破为旋转介质构建的传统硬盘驱动器存储技术的束缚。第二代 NVMe SSD 现已问世，存储容量超过 10 TB。

对具有更高容量的低成本和高能效 SSD 的追求体现了向基于 NVMe 的闪存存储解决方案的过渡。以用于数据中心的 NVMe 设备为例，这些设备将服务器外的存储移动到集中位置，以便可以在多个服务器和 CPU 之间共享存储。

NVMe 的早期采用者包括数据分析、人工智能和机器学习应用程序。NVMe 存储技术在这里所做的是在筛选和分析后将数据转化为有用的信息，同时创建前所未有的规模的数据集。

以下是展示 NVMe 存储技术在未来几天的发展方向以及设计基于 NVMe 的存储设备时最重要的四个主要趋势。

1. NVMe 1.3 规范下一个版本的SSD 接口事实 标准对客户端、企业和云功能进行了重大更新。NVMe 1.3 版本增加了 10 项新功能，以下是这一添加近两年半后最突出的三个亮点。

首先是对虚拟化的增强支持，允许设计人员灵活地将 SSD 资源分配给特定的虚拟机。现在，开发人员无需在操作系统中模拟 NVMe SSD，这显着提高了延迟。这是云和多租户环境的关键优势。

然后是 Streams 功能，它通过允许闪存控制器在相关位置存储相关数据来标记来自云托管环境中不同租户的数据。换句话说，它通过在单个 SSD 上混合不同的工作负载来优化性能。

图 1：这是虚拟化在 NVMe 1.3 规范中的工作方式。

NVMe 1.3 规范还添加了 Sanitize 功能，它提供了一种完全擦除数据的本机方式，从而允许更有效地重用和停用 SSD。其他值得注意的功能包括增强的调试工具和对低资源环境中的引导的支持。

2. PCIe 对齐行业继续快速向基于 PCIe 的 SSD 过渡，市场研究公司 IDC 预测，到 2021 年，基于 PCIe 的 SSD 将贡献超过 50% 的企业 SSD 收入。NVMe 正在迅速成为必备功能用于 PCIe SSD 应用程序，因为它通过卸载主机 CPU 来降低延迟。

据 IDC 称，NVMe SSD 正在迅速取代串行高级技术附件 （SATA） 存储设备，而与 SATA SSD 相比，NVMe SSD 的价格点正在缩小。

图 2：PLDA 的 XpressRICH4-AXI 内核是企业级 PCIe 4.0 接口的软 IP。

NVMe SSD 基本上可以使用大部分 PCIe 带宽。因此，您可以快速移动更多数据。鉴于第 4 代 PCIe 在 16 Gbps 线速下支持多达 16 条通道，并拥有 512 位数据路径用户界面的可用性，这是一个至关重要的优势。

PCIe 4.0 规范预计将于 2018 年初推出。

3. NVMe-oF 架构的出现 数据密集型工作负载不可避免地需要基于 NVMe 闪存的存储系统的低延迟。在这里，NVMe over Fabric （NVMe-oF） 架构通过远程直接内存访问 （RDMA） 和光纤通道网络等数据中心架构提供了基于 NVMe 的 SSD 的有效扩展。

NVMe-oF 有助于在服务器和存储之间以及存储控制器和 NVMe 机箱之间传输更大的数据流。这会带来下一代数据中心所需的更高性能、应用程序响应时间和可扩展性。

NVMe-oF 架构通过支持开发具有更好吞吐量、延迟和服务质量 （QoS） 的高度优化的存储子系统来做到这一点。如何？通过允许 NVMe 控制器在 NVMe-oF 应用程序之间传输大型数据流，而无需 CPU 参与数据平面。

图 3：Mellanox 用于 NVMe-oF 设计的 BlueField 控制器芯片组拥有高速网络、RDMA 卸载和多个 PCIe 通道。

Cavium 最近展示了其用于 NVMe over Fibre Channel （FC-NVMe） 的 QLogic 解决方案，该解决方案将基于 NVMe 闪存的存储的低延迟与第 6 代光纤通道网络的无损、高度确定性特性相结合。

这家总部位于加利福尼亚州圣何塞的高速网络芯片供应商还展示了其 FastLinQ 45000/41000 系列网络接口卡 （NIC），它同时支持 RoCE 和 iWARP 等基于以太网的 RDMA 结构。

4. SSD 控制器的演进SSD 控制器——基于闪存的存储系统中的关键构建块——是实现 NVMe-oF 等下一代网络架构的关键推动力。然而，为此，闪存 SSD 控制器必须与 NAND 容量和低密度奇偶校验 （LDPC） 趋势保持一致。

IntelliProp 业务开发副总裁 Hiren Patel 声称，他公司的控制器 IP 管理硬件中的命令和完成队列，以提高性能并减轻处理器处理大量中断的负担。IntelliProp 的 NVMe 主机加速器 IP 内核正在为 Xilinx 和 Altera FPGA 发货，包括 Ultrascale Plus 和 Arria 10 FPGA。经过硅验证的控制器现在为基于 PCIe 的 SSD 中使用的企业级、云级和客户端级解决方案提供灵活且可配置的设计。

为企业和客户端 SSD 应用程序设计的 SSD 控制器必须为存储应用程序提供高吞吐量和数据完整性功能。他们应该通过提供强大的 ECC 引擎支持的端到端数据保护来确保用户数据的完整性和闪存纠错。

图 4：Microsemi 的 NVMe 控制器通过提供固件可重用性将成本降至最低。

许多 SSD 控制器拥有可编程架构，可通过固件定制实现 SSD 产品差异化。固件定制还允许设计人员调整存储设备并充分利用其功能。

在许多情况下，控制器 IP 提供固件以促进数据在连接到 PCIe 链路上的 NVMe 端点的进出接口。固件调整存储驱动器的灵活性带来了独特的性能属性。

有望主宰闪存存储的 NVMe 正在不断增长，而 NVMe 技术因其能够确保高性能和低延迟的能力而成为这一存储趋势中最突出的部分。因此，虽然 SATA 和 SAS 存储技术不会很快消失，但 NVMe 似乎有望成为 SSD 的主导接口。