一篇文章讲清什么是NVMe

因为 NVMe 的出现，硬盘的性能得到了极大的提升。这个极大是多少呢？读带宽从 500MB/s 提高到了 3200MB/s，写带宽从 400MB/s 提高到了 1200MB/s 左右。而读 IOPS 则达到了 50 万，甚至更高。也就是说，现在一块基于 NVMe 的 SSD 硬盘的性能比一个企业级磁盘阵列还要好。 牛皮吹了这么多，那到底什么是 NVMe 呢？NVMe 的全称是 Non-Volatile Memory Express，如果翻译过来就是非易失性内存主机控制器接口规范。你可能还是一头雾水，那我们上搜索引擎搜索一下这个关键词，可能会得到如下图片。

废话说了半天，到底什么是 NVMe 呢？首先它是一种接口规范，其次它是用于存储设备的接口规范。准确的说是目前最新的存储设备通信协议。这个协议就好比 SAS 和 SATA 一样，用于定义硬件接口和传输协议。

关于存储的几个概念

为了彻底搞清楚什么是 NVMe，我们先理清楚几个关于存储的概念。

尺寸外形：也就是设备的形状和大小，通常存储设备的尺寸外形包括如下：

• 2.5 寸或者 3.5 寸驱动器（在 SFF 标准中定义）

• M.2 和 PCI Express（PCIe）（在 PCI-SIG 标准中定义）

接口：也就是设备如何与计算机通信。常见的存储设备接口包括：

• SATA 接口，通常用于 2.5 寸和 3.5 寸硬盘，有时候一些 M.2 设备也会使用

• PCI Express(PCIe) 接口， 用于 M.2 和 PCIe 设备

• SAS（串行 SCSI）和 FC（Fibre Channel）接口，仅用于服务器领域和数据中心 PCIe 接口要比 SATA 接口快的多，SATA3 最大带宽是 6Gb/s，而基于 4X PCIe 的 M.2 接口最大可以达到 32Gb/s。

协议：定义了如何在计算机与设备之间传输数据。常见的协议包括：

• 用于 SATA 接口的 AHCI 或者 ATA 协议

• 用于 PCIe 接口的 NVMe 协议

到这里我们应该比较清晰了，NVMe 是运行在某种接口上的通信协议，用于规范计算机与存储设备的数据传输。上述设备尺寸、接口和协议通常是可以组合的。下面是常见的集中组合形式。

• 一个 2.5 寸 SSD 硬盘，基于 SATA 接口，通信协议是 AHCI 或者 ATA。具体设备大概如图 2 所示。

• 一个 M.2 的 SSD， 基于 PCIe 接口，通信协议是 NVMe。具体设备大概如图 3 所示。

• 一个 PCIe 的 SSD，基于 PCIe 接口，通信协议是 NVMe。具体设备大概如图 4 所示。

这里只是给出了几个具体的例子，便于大家理解接口、设备和协议的关系。具体来说，还有其它很多种组合形式，本文不在赘述。

为什么 NVMe 会这么快

上面我们介绍了什么是 NVMe，下面本文将介绍一下为什么 NVMe 如此之快（注意：这里说的快是基于 SSD 设备的，如果是机械硬盘则不然）。由于 SSD 本身的物理特性，其数据的访问已经非常快了，性能的瓶颈就是出在计算机与设备连接的接口和协议上面。 我们举一个简单的例子。比如我们有一个仓库会不断的生产出产品来，我们可以机械手将产品从仓库拿到其它地方（如图 5 所示）。对于 SATA 的 SSD，类似于一个单臂的机器人，仓库生产的很快，但机器人每次只能拿一个，搬移的速度就比较慢。

然而对于基于 NVMe 的 SSD 呢？相当于这个机器人长了数百只手，这样速度显然就比前者快的多了。

NVMe 协议的原理也是如此，它本质是上建立了多个计算机与存储设备的通路，这样搬运数据的速度自然就提高了。在 NVMe 协议中，多个通路其实就是多个队列，具体如图 7 所示。在 SATA 中计算机与存储设备只能有一个队列，即使是多 CPU 情况下，所有请求只能经过这样一个狭窄的道路。而 NVMe 协议可以最多有 64K 个队列，每个 CPU 或者核心都可以有一个队列，这样并发程度大大提升，性能也自然更高了。

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