NVM Express （NVMe） 是一種用于固態驅動器 （SSD） 的通信接口，它正在打破為旋轉介質構建的傳統硬盤驅動器存儲技術的束縛。第二代 NVMe SSD 現已問世，存儲容量超過 10 TB。

對具有更高容量的低成本和高能效 SSD 的追求體現了向基于 NVMe 的閃存存儲解決方案的過渡。以用于數據中心的 NVMe 設備為例，這些設備將服務器外的存儲移動到集中位置，以便可以在多個服務器和 CPU 之間共享存儲。

NVMe 的早期采用者包括數據分析、人工智能和機器學習應用程序。NVMe 存儲技術在這里所做的是在篩選和分析后將數據轉化為有用的信息，同時創建前所未有的規模的數據集。

以下是展示 NVMe 存儲技術在未來幾天的發展方向以及設計基于 NVMe 的存儲設備時最重要的四個主要趨勢。

1. NVMe 1.3 規范下一個版本的SSD 接口事實 標準對客戶端、企業和云功能進行了重大更新。NVMe 1.3 版本增加了 10 項新功能，以下是這一添加近兩年半后最突出的三個亮點。

首先是對虛擬化的增強支持，允許設計人員靈活地將 SSD 資源分配給特定的虛擬機。現在，開發人員無需在操作系統中模擬 NVMe SSD，這顯著提高了延遲。這是云和多租戶環境的關鍵優勢。

然后是 Streams 功能，它通過允許閃存控制器在相關位置存儲相關數據來標記來自云托管環境中不同租戶的數據。換句話說，它通過在單個 SSD 上混合不同的工作負載來優化性能。

圖 1：這是虛擬化在 NVMe 1.3 規范中的工作方式。

NVMe 1.3 規范還添加了 Sanitize 功能，它提供了一種完全擦除數據的本機方式，從而允許更有效地重用和停用 SSD。其他值得注意的功能包括增強的調試工具和對低資源環境中的引導的支持。

2. PCIe 對齊行業繼續快速向基于 PCIe 的 SSD 過渡，市場研究公司 IDC 預測，到 2021 年，基于 PCIe 的 SSD 將貢獻超過 50% 的企業 SSD 收入。NVMe 正在迅速成為必備功能用于 PCIe SSD 應用程序，因為它通過卸載主機 CPU 來降低延遲。

據 IDC 稱，NVMe SSD 正在迅速取代串行高級技術附件 （SATA） 存儲設備，而與 SATA SSD 相比，NVMe SSD 的價格點正在縮小。

圖 2：PLDA 的 XpressRICH4-AXI 內核是企業級 PCIe 4.0 接口的軟 IP。

NVMe SSD 基本上可以使用大部分 PCIe 帶寬。因此，您可以快速移動更多數據。鑒于第 4 代 PCIe 在 16 Gbps 線速下支持多達 16 條通道，并擁有 512 位數據路徑用戶界面的可用性，這是一個至關重要的優勢。

PCIe 4.0 規范預計將于 2018 年初推出。

3. NVMe-oF 架構的出現 數據密集型工作負載不可避免地需要基于 NVMe 閃存的存儲系統的低延遲。在這里，NVMe over Fabric （NVMe-oF） 架構通過遠程直接內存訪問 （RDMA） 和光纖通道網絡等數據中心架構提供了基于 NVMe 的 SSD 的有效擴展。

NVMe-oF 有助于在服務器和存儲之間以及存儲控制器和 NVMe 機箱之間傳輸更大的數據流。這會帶來下一代數據中心所需的更高性能、應用程序響應時間和可擴展性。

NVMe-oF 架構通過支持開發具有更好吞吐量、延遲和服務質量 （QoS） 的高度優化的存儲子系統來做到這一點。如何？通過允許 NVMe 控制器在 NVMe-oF 應用程序之間傳輸大型數據流，而無需 CPU 參與數據平面。

圖 3：Mellanox 用于 NVMe-oF 設計的 BlueField 控制器芯片組擁有高速網絡、RDMA 卸載和多個 PCIe 通道。

Cavium 最近展示了其用于 NVMe over Fibre Channel （FC-NVMe） 的 QLogic 解決方案，該解決方案將基于 NVMe 閃存的存儲的低延遲與第 6 代光纖通道網絡的無損、高度確定性特性相結合。

這家總部位于加利福尼亞州圣何塞的高速網絡芯片供應商還展示了其 FastLinQ 45000/41000 系列網絡接口卡 （NIC），它同時支持 RoCE 和 iWARP 等基于以太網的 RDMA 結構。

4. SSD 控制器的演進SSD 控制器——基于閃存的存儲系統中的關鍵構建塊——是實現 NVMe-oF 等下一代網絡架構的關鍵推動力。然而，為此，閃存 SSD 控制器必須與 NAND 容量和低密度奇偶校驗 （LDPC） 趨勢保持一致。

IntelliProp 業務開發副總裁 Hiren Patel 聲稱，他公司的控制器 IP 管理硬件中的命令和完成隊列，以提高性能并減輕處理器處理大量中斷的負擔。IntelliProp 的 NVMe 主機加速器 IP 內核正在為 Xilinx 和 Altera FPGA 發貨，包括 Ultrascale Plus 和 Arria 10 FPGA。經過硅驗證的控制器現在為基于 PCIe 的 SSD 中使用的企業級、云級和客戶端級解決方案提供靈活且可配置的設計。

為企業和客戶端 SSD 應用程序設計的 SSD 控制器必須為存儲應用程序提供高吞吐量和數據完整性功能。他們應該通過提供強大的 ECC 引擎支持的端到端數據保護來確保用戶數據的完整性和閃存糾錯。

圖 4：Microsemi 的 NVMe 控制器通過提供固件可重用性將成本降至最低。

許多 SSD 控制器擁有可編程架構，可通過固件定制實現 SSD 產品差異化。固件定制還允許設計人員調整存儲設備并充分利用其功能。

在許多情況下，控制器 IP 提供固件以促進數據在連接到 PCIe 鏈路上的 NVMe 端點的進出接口。固件調整存儲驅動器的靈活性帶來了獨特的性能屬性。

有望主宰閃存存儲的 NVMe 正在不斷增長，而 NVMe 技術因其能夠確保高性能和低延遲的能力而成為這一存儲趨勢中最突出的部分。因此，雖然 SATA 和 SAS 存儲技術不會很快消失，但 NVMe 似乎有望成為 SSD 的主導接口。