[转帖]AHCI到NVMe，SSD的关键科技革命

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1718020841628703656&wfr=spider&for=pc

HDD和早期SSD大部分使用SATA接口，正在运行AHCI (Advanced Host Controller Interface)，这是由Intel与许多公司合作开发的系统接口标准。AHCI支持NCQ功能和热插拔技术。NCQ的最大深度是32，也就是在对HDD或SSD执行最多32条命令的情况下，与以前的硬盘只能一条命令执行相比，硬盘性能有了显著的提高。

AHCI协议和SATA接口AHCI协议和SATA接口足以满足系统的性能要求，因为整个系统的性能瓶颈在于硬盘端(低速、高延迟)，而不是协议和接口端。但是随着SSD技术的迅速发展，SSD磁盘的性能急剧上升，底层闪存带宽越来越宽，介质访问延迟越来越低，系统性能瓶颈已从下面转移到上面的接口和协议处。AHCI和SATA已无法满足高性能、低延时的SSD需求，SSD迫切需要有更快、更有效的协议和接口。

在这样的背景下，NVMe诞生了。09年下半年，在领先的大哥Intel的领导下，美光、戴尔、三星、Marvell等巨头共同开发了一份专为SSD服务的NVMe协议，目的是使SSD不再使用老的SATA和AHCI。在工业存储方面方面，崛起了Agrade睿达等一批优秀的品牌。

NVMe是什么？NVMe是Non-Volatile Memory Express，是一种可在PCle接口上运行的非易失性存储标准。在NVMe设计之初，PCIESSD的低延迟和并行性得到了充分利用，以及当代处理器、平台和应用的并行性。与目前的AHCI标准相比，NVMe能带来多方面的性能提高。NVMe是为SSD而生的，但并不局限于以闪存为媒介的SSD，也可以应用于高性能、低延迟的3DXPoint等新媒体。

三星XS1715是第一款支持NVMe标准的产品，于2013年7月发布。随后推出了企业级NVMe标准SSD。2015发布Intel750，标志着NVMe标准产品进入市场。

当今市场上NVMeSSD产品很多，无论是企业级的还是消费型的，如果说前些年的NVMeSSD还是阳春白雪，如今NVMeSSD已经慢慢地进人了。值得注意的是，NVMe在移动设备上同样拥有一席之地。从iPhone6s开始，苹果的存储设备运行在NVMe协议标准之上。将来的手机存储方向，应该不是UFS，不是eMMC，而是NVMe，等等看。

那NVMe到底有什么好的呢？它与AHCI相比有什么优点？相对于NVMe和AHCI，其优点主要表现在：

1.低时延(Low 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太多了。控制器方面，从SATASSD发展成PCIeSSD，原生PCIe主控与CPU直接相连，而不像传统方式，要通过南桥控制器中转再连接CPU，因此基于PCle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;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。

2.高性能(High Performance & 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(IOPS并不与队列深度成正比，因为实际应用中，随着队列深度的增加，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PCleSSD，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。而在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。

PCle接口本身在性能上碾压SATA，再加上NVMe具有比AHCI更深、更宽的命今队列，NVMeSSD在性能上秒杀SATASSD是水到渠成的事情。

3.低功耗(Low Power Consumption)

NVMe加人了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能。