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　　【PConline 杂谈】微星在前段时间放出消息，用户通过更新旗下X99、Z97、H97系列主板BIOS到最新版本，即可获得对NVMe的支持。官方表示，相比目前主流的AHCI，通过新的NVMe标准接入的SSD，可以获得大幅度的性能提升。但是对于大多数用户来说，NVMe接口标准可能并不熟悉，即使有所耳闻，可能也觉得只是在高端专业领域应用得多，与一般民用无缘。但随着SSD性能的提升，SATA接口和AHCI已经逐渐成为存储的瓶颈所在，PCIe和NVMe的组合取代前者只是时间问题。下面笔者就为大家简单解析一下NVMe的特性，以及相较于AHCI究竟有哪些优势。

AHCI就要过时了？新接口标准NVMe浅析

　　在开始介绍NVMe技术之前，我们不妨回过头来看一下2011年时的SSD产品。当时市面上绝大部分的SSD产品都跟2.5英寸机械硬盘一样，有着同样的外形规格，使用同样的SATA接口，以及同样的接口标准（AHCI）。虽然当时SSD的性能和可靠度也在逐步提高，但仍然难以达到SATA 6Gbps的极限，限制SSD性能发挥的，更多与SSD内部的闪存、主控和固件有关。然而，新技术研发总是具有令人惊叹的前瞻性——2011年3月，NVMe 1.0标准正式发布。

　　事实上，NVMHCI（非易失性存储主控制器接口）最早在2007年的Intel 开发者论坛上已被提出，并在同年由Intel 领衔成立了NVMHCI工作组。该工作组的成员还包括了美光、戴尔、三星、Marvell、NetAPP、EMC、IDT等公司，而他们的目标，就是要将未来存储产品的性能，从SATA和AHCI之中解放出来。下面我们就来谈一下NVMe的优势所在。

低延迟

　　因为AHCI标准本身就是为高延迟的机械硬盘而设，虽然SSD发展至今，主流产品依然沿用了机械硬盘时代的那一套，但已经开始不能满足性能的高速发展，特别是在延迟方面。而面向PCIe SSD产品的NVMe标准，降低存储时出现的高延迟，就是其要解决的问题之一。

NVMe PCIe SSD可有效降低延迟

　　造成硬盘存储时延迟的三大因素，存储介质本身、控制器，以及软件接口标准。由上图可以发现，比起AHCI，NVMe可以大幅度降低控制器和软件接口部分的延迟，原因有以下两个：

　　NVMe面向的是PCIe SSD，原生PCIe主控与CPU直接相连，而不是传统方式，通过南桥控制器中转，再连接CPU（当然，如果设备是接入到南桥提供的PCIe接口上，那么这部分的延迟也不会降低多少）；

　　NVMe精简了调用方式，执行命令时不需要读取寄存器；而AHCI每条命令则需要读取4次寄存器，一共会消耗8000次CPU循环，从而造成2.5μs的延迟。

　　但我们从图中也可以看出，即使NVMe有效降低了控制器与软件接口之间的延迟，存储介质本身仍然是造成延迟的最主要原因。撇开延迟有点突破天际的机械硬盘不说，现在SSD使用的NAND闪存本身也会造成约50μs的延迟（不同NAND的延迟差别也比较大，仅以图中例子说明）。要解决存储介质造成的较高延迟，还需要依赖于未来可能应用的诸如PCM、RRAM、MRAM等新式存储器。

IOPS性能提升

队列深度的大幅提升

　　另外，NVMe的另一个重点则是提高SSD的IOPS（每秒读写次数）性能。如果我们有详细了解过SSD的主控参数，应该知道会有队列深度这个参数。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（但IOPS并不与队列深度成正比，因为实际应用中，随着队列深度的增大，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PCIe SSD，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NVMe标准下，最大的队列深度可达64000。此外，NVMe的队列数量也从AHCI的1，提高了64000。

（图表数据来自Tom's Hardware）队列深度基本要达到128以上，才能发挥最高性能

驱动适用性广

主流操作系统已经逐渐开始支持NVMe

　　NVMe标准的也解决了不同PCIe SSD之间的驱动适用性问题。此前的PCIe SSD，均需要安装驱动程序后才能正常使用，而不同的厂商又各自为政，每个厂商产品都有自己的驱动，SSD也不能作为引导使用。但支持NVMe标准之后，PCIe SSD就可适用于多个不同平台，也不需要厂商独立提供驱动支持。目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了对NVMe SSD的支持。（当然，这个优势并不是相对AHCI而言，而是相对于其他需要采用独立驱动的PCIe SSD）

低功耗

更先进的能耗管理

　　NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能，如图例所示，设备从能耗状态0闲置50ms后可以迅速切换到能耗状态1，在500ms闲置后又会进入能耗更低的状态2。虽然切换能耗状态会产生短暂延迟，但闲置时这两种状态下的功耗可以控制在非常低的水平，因此在能耗管理上，相比起主流的SATA接口SSD拥有较大优势，这一点对增加笔记本电脑等移动设备的续航尤其有帮助。另外，因为原生PCIe可以与CPU直连，数据传输时没有了中间转接过程所产生的功耗，也会在一定程度上降低能耗。