NVMe 2.0版讓多樣化儲存裝置開發更快速簡單

作者 : Gary Hilson,EE Times特約記者

標準組織NVM Express總裁Amber Huffman表示,重新架構NVMe的目標就是為了因應未來對儲存不斷演進的需求。新一代規格還鼓勵獨立開發的指令集,像是分區命名空間(Zoned Namespaces,ZNS) 和鍵值(key value,KV),並支援與NVMe和NVMe-oF (NVMe over Fabrics)通用的各種底層傳輸協定...

非揮發性記憶體儲存裝置介面規格NVMe (non-volatile memory express)正在進行重新架構。在保證能與前幾代產品向下相容的同時,新版本NVMe 2.0規格的宗旨是能夠在日益多樣化的裝置──包括擴展至硬碟機(HDD)──環境下進行更快、更簡單的開發。

標準組織NVM Express總裁Amber Huffman表示,重新架構NVMe的目標就是為了因應未來對儲存不斷演進的需求。新一代規格還鼓勵獨立開發的指令集,像是分區命名空間(Zoned Namespaces,ZNS) 和鍵值(key value,KV),並支援與NVMe和NVMe-oF (NVMe over Fabrics)通用的各種底層傳輸協定。

從一個工作小組起家,NVM Express如今是一個發展成熟的組織機構,負責維護一個規格資料庫,包括各種文件如基礎規格、指令集、傳輸與管理介面規格。NVMe裝置生態涵蓋了企業級和用戶端固態硬碟(SSD)、可移除式記憶卡、運算加速器與硬碟機。

 

圖1:NVMe 2.0在簡化基礎規格的同時也抽取部份功能,以實現簡潔和清晰。

(圖片來源:NVM Express

 

經過了數次更新,NVMe 2.0版的ZNS規格現在能支援分區儲存裝置介面,允許透過將資料與SSD實體媒介配對,使SSD和主機能夠協作放置資料;這有助於改善裝置整體性能與成本效益,同時增加了主機可搭載的儲存媒介容量。

NVM Express技術工作小組(Technical Work Group)主席Peter Onufry表示,隨著新指令集的添加,NVM會需要不同類型的命名空間。NVMe 2.0中的ZNS功能搭載了一個可支援多個指令集的架構。三星電子(Samsung Electronics)最近就推出了採用ZNS技術的新型企業級SSD,該產品最大程度提升了使用者容量,並延長了儲存伺服器、資料中心和雲端環境的使用壽命。

由於ZNS允許根據資料的使用情況和存取頻率對資料進行分組,並將它們按順序儲存在SSD內的獨立區域,因此降低磁碟的寫入放大係數(write amplification factor,WAF)。根據三星表示,寫入運作的次數越少,SSD的效率越高,使用壽命也越長(可比傳統SSD長四倍),因此該新款SSD可成為伺服器基礎設施更具永續性、更環保的選擇。

NVMe 2.0中的Endurance Group Management儲存管理機制可以進一步延長SSD的使用壽命,該功能透過揭露SSD的存取細微性(granularity of access)並對其加以控制,使媒體能夠被配置到Endurance Group中。

Onufry表示:「Endurance Group Management 的作用是讓您可以創建多個NVM池(pool),然後從這些記憶體池中創建命名空間;」例如,NAND區塊能以SLC或TCL模式來配置。

圖2:三星電子最近新推出的企業級SSD產品支援NVMe 2.0規格中的ZNS功能。 (圖片來源:Samsung)

圖2:三星電子最近新推出的企業級SSD產品支援NVMe 2.0規格中的ZNS功能。(圖片來源:Samsung)

KV指令集是NVMe 2.0的另一個重要功能,它在對NVMe SSD控制器上的資料進行存取時,使用的是金鑰而非區塊位址。這使應用程式能夠使用鍵值對(key-value pairs)直接與磁碟通訊,免除鍵和邏輯區塊之間不必要的轉換表(translation tables)。

NVMe 2.0透過功能升級、管理能力、以及其他強化功能(例如從磁碟中提取可靠資訊)來支援HDD。Onufry 表示:「當我們打造NVMe規格時,實際上是鎖定非揮發性記憶體應用,不僅僅是NAND快閃記憶體,但當時我們從未想過人們會想要將硬碟機與NVMe連結;」他指出,隨著SCSI被PCIe或NVMe取代,我們需要一種能夠繼續相容硬碟機的方法。」

Huffman表示:「NVMe 2.0林林總總的功能看起來非常繁雜,為了簡化,我們重新架構了基礎規格,使其不至於變得太過複雜;如此一來在進行改變時,我們就不用擔心是否會影響到其他部分。如果你關心的是KV或者Endurance Group,你也可以只選擇與之相關的部分。」

Huffman說,重新架構的某一部分是去除傳輸和指令等元素;這意味著PCIe不再是唯一添加了傳輸控制協定(TCP)和遠端記憶體直接存取(RDMA)的傳輸方式。就像一開始只有區塊指令集(block command set)時,添加了KV的指令集。

將這些規格抽取出來能夠讓使用者打造他們想要的裝置。在此同時,NVMe-oF於2016年5月首度單獨推出,現在則已成為基礎規格的一部分。

Onufry 表示,從基礎規格中抽出不必要部分可以實現持續創新,讓打造裝置的使用者更專注於他們注重的功能,不必擔心對其他功能造成影響。即使某一項功能沒有完全實現,整個NVMe規格也不會被拖累;「我們正努力實現徹底的分區。」

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年8月號;責編:Judith Cheng

(參考原文:NVMe Gets Refactored,By Gary Hilson)

 

 

 

 

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