NVM Express

逻辑设备接口规范

NVM Express（NVMe），或称非易失性内存主机控制器接口规范（英语：Non Volatile Memory Host Controller Interface Specification，缩写：NVMHCIS），是一个逻辑设备接口规范。它是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范（相当于通讯协议中的应用层），用于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加的非易失性存储器介质（例如采用闪存的固态硬盘驱动器），虽然理论上不一定要求 PCIe 总线协议。

简介

NVM Express（NVMe），或称非易失性内存主机控制器接口规范（英语：Non-VolatileMemoryHostControllerInterfaceSpecification，缩写：NVMHCIS），是一个逻辑设备接口规范。它是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范（相当于通讯协议中的应用层），用于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加的非易失性存储器介质（例如采用闪存的固态硬盘驱动器），虽然理论上不一定要求 PCIe 总线协议。

NVM代表非易失性存储器（non-volatile memory）的首字母缩略字，这是固态硬盘（SSD）的常见的闪存形式。此规范主要是为基于闪存的存储设备提供一个低延时、内部并发化的原生界面规范，也为现代CPU、计算机平台及相关应用提供原生存储并发化的支持，令主机硬件和软件可以充分利用固态存储设备的并行化存储能力。相比此前机械硬盘驱动器（HDD）时代的AHCI，NVMe/NVMHCI降低了I/O操作等待时间、提升同一时间内的操作数、更大容量的操作队列等。

依托于PCIe总线，NVMe设备可适用于各种支持PCIe总线的物理插槽上，包括标准尺寸的PCIe扩展卡（一般是4个PCIe通道）、采用U.2物理连接界面（SFF-8639）的2.5英寸/3.5英寸标准尺寸固态硬盘驱动器、SATA Express总线（兼容于PCIe）的设备、M.2规格扩展卡等。

此规范由“Non-Volatile Memory Host Controller Interface Working Group”（非易失性存储器主机控制器界面工作组）负责管理。

背景

历史上，大多数SSD使用如SATA、SAS或光纤通道等接口与计算机接口的总线连接。随着固态硬盘在大众市场上的流行，SATA已成为个人计算机中连接SSD的最典型方式；但是，SATA的设计主要是作为机械硬盘驱动器（HDD）的接口，并随着时间的推移越来越难满足速度日益提高的SSD。随着在大众市场的流行，许多固态硬盘的数据速率提升已经放缓。不同于机械硬盘，部分SSD已受到SATA最大吞吐量的限制。

在NVMe出现之前，高端SSD只得以采用PCI Express总线制造，但需使用非标准规范的接口。若使用标准化的SSD接口，操作系统只需要一个驱动程序就能使用匹配规范的所有SSD。这也意味着每个SSD制造商不必用额外的资源来设计特定接口的驱动程序。

截至2014年9月，在光纤通道（FC）上使用NVMe的新标准也正在开发。

历史

2009年Intel开始着手寻找SATA的替代方案。SATA作为串行接口，采用AHCI规范，其已经成为制约SSD速度的瓶颈。AHCI只有1个命令队列，队列深度32.而NVMe可以有65535个命令队列，每个队列都可以深达65536个命令。NVMe也充分使用了MSI的2048个中断向量优势，延迟大大减小。

2011年有了1.0。最新的版本是1.2.1；最大带宽为11.6Gbps，约为1200MB/s。

操作系统支持

9Front

2017年3月30日，NVMe驱动程序发布并供使用

Chrome OS

2015年2月24日，加入NVMe驱动至内核和引导加载程序，可从NVMe设备启动Chrome OS

DragonFly BSD

DragonFly 4.6开始内置NVMe驱动程序

FreeBSD

Intel赞助开发的驱动程序已内置于FreeBSD的head、stable/9分支中。nvd(4)和nvme(4)驱动程序则是在10.2版FreeBSD中开始默认内置于其中。

Haiku

Haiku已有驱动开发时程，但是目前仍未完成

illumos

illumos于2014年10月15日获得驱动程序支持

iOS

iOS 9开始支持，首款配备了NVMe接口的设备是iPhone 6S/6S Plus，也是首款采用NVMe的移动设备。物理接口和UFS相同的采用M-PHY PCIe。接下来Apple推出的iPad Pro和iPhone SE也采用了NVMe

Linux

NVMe的驱动程序最早是英特尔提供的，适用于Linux的内核驱动程序模块。这个模块在2012年3月19日集成到Linux内核的主线驱动程序当中，Linux内核3.3版开始内置支持而无需安装额外模块。

2014年1月19日的Linux内核 3.13版开始，加入由Fusion-io开发的blk-multiqueue或称blk-mq模块，是为“可变区块层”（scalable block layer），用于NVMe SSD。This leverages the performance offered by SSDs and NVM Express, by allowing much higher I/O submission rates. With this new design of the Linux kernel block layer, internal queues are split into two levels (per-CPU and hardware-submission queues), thus removing bottlenecks and allowing much higher levels of I/O parallelization.

2015年4月12日发布的Linux内核 4.0版开始，VirtIO区块层驱动程序，SCSI驱动层（与SATA驱动共用）、回环设备驱动（loop device） UBI（unsorted block images）驱动（供闪存实现区块擦写管理）以及RBD驱动程序（which exportsCephRADOS objects as block devices）都被修改，以适应及适配越来越多的NVMe设备

NetBSD

NetBSD在2016年的开发版本中初步支持NVMe。OpenBSD则是在其6.0版时发布了NVMe的驱动程序。

OpenBSD

OpenBSD的NVMe驱动程序自2014年6月开始，由此前开发并发布USB、AHCI驱动程序的高级开发团队负责。OpenBSD 6.0开始正式支持。

OS X/macOS

Mac OS X 10.10.3（OS X Yosemite）开始支持NVMe。苹果公司的Retina MacBook和2016年发布MacBook Pro，配备了使用NVMe的PCIe SSD作为主硬盘驱动器使用。

Solaris

Solaris自Oracle Solaris 11.2开始支持NVMe。

VMware

英特尔发布了供VMWare使用的NVMe驱动程序，vSphere 6.0以及其后的版本中，均包含了该驱动程序，支持多种NVMe设备。在 vSphere 6 update 1 更新中，VMWare的VSAN软件模拟的存储子系统也开始支持NVMe设备。

Windows

微软在Windows 8.1和Windows Server 2012 R2开始，原生支持NVMe设备。同时也为Windows 7和Windows Server 2008 R2提供原生驱动程序支持（需由用户自行下载获取）

除了微软官方提供的驱动程序以外，OpenFabrics Alliance也有维护一套开放源代码的NVMe驱动程序，使用于Windows 7、8、8.1、10以及Windows Server 2008 R2、2012、2012 R2，这套驱动程序由数个加入了NVMe工作组的公司开发，包括IDT、英特尔以及LSI。

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