焱融全闪系列科普| 为什么 SSD 需要 NVMe？

NVMe 的由来

目前机械硬盘大多数使用 SATA (Serial ATA Advanced Host Controller Interface) 接口，接口协议为 AHCI，是 Intel 联合多家公司研发的系统接口标准。AHCI 最大队列深度为 32，即主机最多可以发 32 条命令给 HDD 或 SSD 执行，在 HDD 时代整个性能瓶颈在硬盘端，而不是接口和协议端，所以 AHCI 可以很好的匹配 HDD。但随着 SSD 硬盘技术的不断演进，使得底层闪存带宽越来越高，介质访问延迟越来越低，系统瓶颈已经由下转移到了上面的接口和协议端。这时你会发现 SATA 接口的 SSD 性能都不会超过 600MB/s，你会认为是底层闪存带宽不够，但其实是 SATA  接口速度限制了带宽。因为 SATA 3.0 最高带宽就是 600MB/s。此时，AHCI 和 SATA 已经不再满足高性能和低延迟的 SSD 的需求了，如果要充分释放 SSD 性能，那么就要设计新的协议和接口了。

在这样的背景下，2009 年下半年，Intel 、镁光、三星等厂商，一同制定了专门为 SSD 服务的 NVMe 协议，来取代 AHCI，从此 NVMe 应运而生。

NVMe 即 Non-Volatile Memory Express，是非易失性存储器标准，是在 PCIe 接口之上的协议标准，在协议栈中隶属高层。如下图所示：

NVMe 针对 PCIe SSD 特点而设计，相比传统 AHCI 标准，NVMe 标准可以带来多方面的性能提升，可以说 NVMe 就是为了 SSD 而生的。

刚才我们提到了 AHCI、SATA、NVMe、PCIe，接下来，我们通过一张层次图来理解他们之间的关系和职责。

NVMe 的特点和优势

上面我们提到了 NVMe 是一种 Host 与 SSD 之间通信的协议，在整个协议栈中处于应用层的位置。NVMe 相当于指挥官发送命令至下层去执行，即 PCIe，它所制定的任何命令，都由 PCIe 去完成。虽然 AHCI 也可以和 PCI 搭档，但 AHCI 只有一个命令队列，最多同时只能发 32 条命令，根本驾驭不了 PCIe。而 NVMe 主要是面向 PCIe SSD 开发的一套接口标准，定义了系统接口和命令集，其目的就是让性能更好，延迟更低，功耗更低，所以目前 NVMe 和 PCIe 匹配无疑是最完美的。我们通过下面一张图来对比一下 AHCI 与 NVMe 的特点（注：图片来自 Intel FMS 2012)。

NVMe 和 AHCI 相比，它的优势主要体现在以下几点：

1、低延迟

- SSD 到 CPU 的路径更近了：从 SATA SSD 到 PCIe SSD，原生 PCIe 主控与 CPU 直接相连，而不需要像 SATA 一样连接到南桥中转，因此基于 PCIe 的 SSD 时延更低。如下图所示：PCIeSSD 作为一个 PCIeEndpoint（EP）通过 PCIe 连接着 RootComplex（RC），RC 连接着 CPU 和内存。

- 命令更加精简：跟 ATA 规范中定义的命令相比，NVMe 的命令个数少了很多，完全是为了 SSD 量身定制的。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；使用了 MSI-X 中断管理；并行 &多线程优化-----NVMe 减少了各个 CPU 核之间的锁同步操作等。

- 众所周知，底层存储介质 SSD 要比传统机械硬盘速度快很多；

所以基于 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 (Queue Depth) 和 IO 延迟有关，用数学表达式是：

IOPS=队列深度/IO 延迟

从上述的表达式中，我们可以看出 IOPS 与队列深度有很大的关系。注意：实际应用中，随着队列深度的增加，IO 延迟也会相应地变大。通常 SATA 接口的 SSD，在队列深度上可以达到 32，然而这也是 AHCI 所能做到的极限。但目前企业级 PCIeSSD，其队列深度要达到 128，甚至是 256 才能够发挥出最高的 IOPS 性能。而在 NVMe 标准下，最大的队列深度可达 64K，队列数量也从 AHCI 的 1，提高到了 64K。再加上 PCIe 接口本身在性能上碾压 SATA，使得 NVMeSSD 在性能上碾压 SATASSD 是顺理成章的事情。

NVMeSSD 和 SATA SSD 的性能对比图

3、低功耗

NVMe 中加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能。NVMe Spec 支持 1-32 电源状态 (PS, Power State)。在 Host 开启自动电源状态转换功能时，可以根据自己喜好设置 Idle 多长时间后自动转换其他电源状态。

写到最后

那么，焱融追光 F8000X 全闪文件存储针对 NVMe 的性能做了哪些优化呢？

存储处理器资源既要负责 RDMA 网络数据包收发处理逻辑，又要转发 IO 给磁盘，负责磁盘的读写开销。对于传统机械硬盘来说，可以采用大量线程去压榨磁盘性能，而针对 NVMe SSD 这种方式是不现实的。所以焱融追光 F8000X 全闪文件存储采用异步非阻塞 IO 模式，有效减少上下文切换，全路径实现了零拷贝，支持批量提交和回收，增加了并行能力：

- 减少用户到内核态拷贝：通常 POSIX I/O，例如: read（），write（）这种系统调用，每次用户数据要从用户态到内核态 COPY 一次。采用异步非阻塞的 DMA 操作，既避免拷贝，也降低 CPU 负载。

- 减少上下文切换：在 OS 发出系统调用请求之后，就去处理别的任务，等中断通知再接着上下文去处理后续任务。对于慢速介质是可以的，但是对于 NVMe SSD 这种高速介质，其实发完请求很快就结束了，又通过中断切换上下文代价太大。所以不如直接通过 Polling，相当于是用 CPU 资源换取低延迟，每个盘启动一个线程一直 polling，当来任务时立马去感知到事件去处理，使得 IOPS 提升，降低延迟。

- 增加并行：采用异步多队列线程池模型，减少锁冲突，充分发挥 IO 并行能力。

焱融追光 F8000X 全闪文件存储使用全 NVMeSSD，通过深度 I/O 模型优化设计能够充分利用 NVMe 的多队列特性，获得更高的 IOPS 性能。同时，高效分配处理器核心资源，支撑网络层面高并发数据收发处理的同时，避免大量线程的调度开销，充分发挥 NVMe SSD 磁盘性能。