非揮發性記憶體(NVM Express;NVMe)規格即將展開近三年來的首度重大更新,朝向成為固態硬碟(SSD)控制器介面的既定標準之路邁進了一大步。

NVM Express Inc.行銷委員會聯席主席Jonmichael Hands表示,採用PCI Express (PCIe)匯流排的1.3版NVMe SSD增加了自2014年11月發佈1.2版以來尚未完善的許多新功能。此次更新展現NVMe的三大核心規格之一;其他還包括NVM Express Management Interface管理介面,以及NVMe-over-Fabrics規格。NVMe-over-Fabrics規格更新要到2018年底才會完成;不過,美光(Micron)最近宣佈正致力於領先標準推出新產品。

Hands表示,供應商採用新規格並整合於其產品中還需要一段時間。畢竟,支援NVMe 1.2版規格的裝置從去年秋天才開始陸續推出。他說,除了需要花時間更新產品功能以外,雖然沒有其他影響元件供應商的阻力,但一般也需要兩年的時間。

Hands說,NVMe 1.3包含24項技術方案,可針對客戶端、企業和雲端功能分為三大類。最重要的進展是支援虛擬化,讓開發人員能夠更靈活地將SSD資源分配給特定的虛擬機。他說:「現在,如果要在虛擬化環境中使用NVM Express裝置,虛擬機管理程式(hypervisor)的NVMe驅動器就必須為客戶的作業系統(OS)模擬NVMe SSD,」Hands說,「目前的進展不錯,但仍存在一些延遲。」

Hands表示,超快速的儲存級記憶體元件開始變得更具意義,因為將原始裝置放在hypervisor之後,可能會大幅減少輸入/輸出操作(IOP)的次數。而要在虛擬化環境中從每個SSD取得最高性能的技巧在於讓它看起來像SSD一樣原生附加在每個虛擬機上。NVMe 1.3可利用PCIe的單根I/O虛擬化(SR-IOV)功能,支援儲存共享與直接分配。他說,「現在你可以分割並智慧化地分配資源了。」

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Hands表示,這為支援雲端環境和多租戶技術的公司帶來了許多價值,但為了獲得最大的價值,開發人員必須該將資源分配寫入軟體定義的儲存堆疊。他說,在NVM Express董事會的一些大型客戶正在推動這項功能。目前的方法是為每個工作負載使用更多較小的SSD,如此就不會影響其他工作負載的服務品質。

20170628_NVMe_NT01P2 20170628_NVMe_NT01P3 NVMe 1.3版中的‘Streams’功能可以減輕主機託管工作負載的寫入放大(WA)現象

Hands表示,1.3版中最令人振奮的功能之一就是‘Directives’,它是主機和裝置交換後設資料的新架構,特別適用於全快閃記憶體陣列,在每個SSD上支援更好的工作負載最佳化。他說,SSD的容量越來越大,目前的平均容量已經達到了4TB並正快速增加中。在多租戶環境中,這意味著在單個SSD上混合著不同的客戶工作負載。「因為在同一個硬碟上有著不同的工作負載,不可避免地會損害產品的耐用度,」Hands說。

‘Directives’功能的早期範例是‘Streams’,它讓主機向控制器顯示,在寫入命令中的特定邏輯塊是一組關聯資料的一部份。控制器可以使用這些資訊,將相關資料儲存在有關的位置或用於增強其他性能。Hands說,基本上,‘Streams’可將來自雲端託管應用中不同租戶的相關資料進行簡單的標記,從而為NAND SSD最佳化性能以及提高其耐用性。

透過在雲端託管應用中採用不同租戶的相關資料的簡單標記,Stream功能最佳化NAND的SSD的性能,並提高。

Hands 說,NVMe 1.3版的其他新功能還包括針對SSD的增強型除錯工具,迄今為止,這一直是SSD供應商主導的領域;此外,還有更多熱量調節的細部控制,不僅針對系統的溫度,也包括工作負載。

Hands說,最新的NVMe規格還支援在低資源環境(包括行動裝置)執行啟動程式,這將可讓較低成本的NVMe裝置佔用空間較小。NVMe 1.3版還為符合標準的SSD擦除提供更廣泛適用的操作。

相較於3D NAND尋求在2018年達到廣泛採用的引爆點,NVMe似乎更定位於在2018年底之前成為SSD的主流介面。Hands表示,雖然SATA和SAS仍然存在一定的市場,但幾乎很少再添加新功能。「這正是NVMe引領創新之處。」

編譯:Susan Hong

(參考原文: DoE Supercomputer Does Big Data,by R. Colin Johnson)