Cпецификация на протоколы доступа к накопителям SSD, подключенным к шине PCI Express.

Cпецификация на протоколы доступа к накопителям SSD, подключенным к шине

PCI Express.

NVM Express, NVMe, NVMHCI (от англ.Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification) — спецификациянапротоколыдоступак твердотельнымнакопителям (SSD), подключеннымпошине PCI Express. "NVM" в названии спецификации обозначает энергонезависимую память, в качестве которой в SSD пока повсеместно используется флеш-память типа NAND. Логический интерфейс NVM Express был разработан с нуля, с учетом низких задержек и высокого параллелизма твердотельных накопителей с интерфейсом PCI Express, а также широкой распространенности многоядерных процессоров. NVMe позволяет повысить производительность за счет более полного использования параллелизма устройств и программного обеспечения.

Накопители, использующие NVM Express, могут представлять собой полноразмерные карты расширения PCI Express либо устройства SATA Express. Спецификация M.2 (ранее известная как NGFF) для компактных накопителей также поддерживает NVM Express в качестве одного из логических интерфейсов.

В середине-конце 2000-х многие SSD-накопители еще использовали компьютерные шины SATA, SASили Fibre Channel для взаимодействия с компьютером. На массовом рынке SSD чаще всего использовали интерфейс SATA, разработанный для подключения жестких дисков форм-факторов 3,5 и 2,5 дюйма. Однако SATA часто ограничивал возможности развития SSD, в частности, максимальную скорость передачи данных.

Высокопроизводительные SSD изготавливались с интерфейсом PCI Express и ранее, однако они использовали нестандартные логические интерфейсы, либо применяли многоканальные SATA-/SAS-контроллеры, к которым на той же плате подключалось несколько SSD-контроллеров. Путем стандартизации интерфейсов SSD можно было бы сократить количество драйверов для операционных систем, производителям SSD больше не пришлось бы отвлекать ресурсы на создание и отладку драйверов. Подобным образом принятие спецификаций USB mass storage позволило создать большое разнообразие USB-флеш-накопителей, которые смогли работать с любыми компьютерами, не требуя оригинальных драйверов для каждой модели.

Первые подробности о новом стандарте доступа к энергонезависимой памяти появились на Intel Developer Forumв еще в 2007 году, где NVMHCI был указан как интерфейс к персональному компьютеру для предлагаемого контроллера флеш-памяти с шиной ONFI. В 2007 году была собрана рабочая группа для проработки NVMHCI во главе с Intel. Первая спецификация NVMHCI 1.0 была закончена в апреле 2008 года и размещена на сайте Intel.

Техническая проработка NVMe началась с второй половины 2009 года.Спецификации NVMe были разработаны "NVM Express Workgroup", в которую входило более 90 компаний, председателем группы был Amber Huffman из Intel. Первая версия NVMe 1.0 была издана 1 марта 2011 года, версия 1.1 - 11 октября 2012 года. В версии 1.1 были добавлены многопутевый ввод-вывод и возможность проведения DMA-операций по множеству адресов с фрагментами произвольной длины (arbitrary-length scatter-gather I/O). Последующие версии стандарта улучшили управление пространствами имен. Из-за изначальной фокусировки на корпоративных применениях стандарт NVMe 1.1 получил название "Enterprise NVMHCI". Обновление базовой спецификации NVMe, версии 1.0e, вышло в январе 2013 года.

Первые контроллеры SSD, реализующие NVMe, были выпущены IntegratedDeviceTechnology в августе 2012 года (89HF16P04AG3 и 89HF32P08AG3).Первый твердотельный диск с NVMe, Samsung XS1715 для корпоративных применений был анонсирован в июле 2013 года, он обеспечивал чтение на скоростях 3 ГБайт/с. В ноябре 2013 года LSI SandForce выпустила контроллер SF3700 с NVMe,показавшие скорости последовательных обращений в 1,8 ГБайт/с и 80-150 тысяч IOPS на случайных обращениях при использовании физического интерфейса PCIExpress 2.0×4. В июне 2014 Intel представила свои первые линейки корпоративных накопителей с NVM Express: DC P3700, DC P3600, DC P3500.

Скорость обмена данными в SSD накопителях требует новых шин и правил обмена данными для полной реализации потенциала «дисков». Необходимость расширить «узкое горлышко» пропускной способности существующих интерфейсов для накопителей - именно этим и объясняется появление интерфейса NVMe (NVM Express). Основные особенности NVM Express устройств на сегодня:

- «ближе» к центральному процессору;
- совместимость с разъемами SATA, SAS;
- более, чем 2-х кратное увеличение производительности в сравнении с устройствами SAS 12 Гб/с по основным параметрам (чтения, записи, операций ввода/вывода — IOPS);
- снижение задержек (latency).

Производительности промежуточные уровни иерархии не добавляют: чем прямее путь, тем выше скорости. Конечно, с точки зрения совместимости «стандартные» интерфейсы предпочтительнее, но ведь PCIe эту самую совместимость ограничивает изначально. Поэтому как только речь зашла об использовании этого интерфейса, производители сразу же задумались и о соответствующей программной прослойке: чтоб в ней не было ничего лишнего для SSD, зато учитывались все их особенности. Так появился интерфейс NVMe (Non-Volatile Memory Express).

Линейка Intel SSD 750 стала первой с интерфейсом NVMe, специально разработанным для настольных компьютеров (стандарт AHCI, который сегодня используется в современных жёстких дисках и SSD, изначально не предназначался для накопителей на флэш-памяти). Стандарт NVMe изначально был оптимизирован под полупроводниковую память, он уже активно применяется в корпоративном сегменте и серверах. NVMe обеспечивает более высокую производительность (по спецификациям Intel SSD 750 – по чтению заявлена скорость около 2 Гбайт/с). Для повышения производительности Intel SSD 750 может переключаться в режим RAID 0. В таком случае вы не сможете загрузиться с накопителя, что вполне возможно в одиночном режиме. Intel разрабатывала семейство SSD 750 в тесном сотрудничестве с производителями материнских плат, чтобы обеспечить максимальную производительность и совместимость. Стандарт очень хорошо сочетается с платформой X99, где от «старших» CPU отходит 40 линий PCI Express, что позволяет использовать, например, две видеокарты x16 и два накопителя Intel SSD 750 с полной конфигурацией линий. Intel SSD 750 имеет интерфейс PCI Express (Gen3) с четырьмя линиями, что соответствует теоретической пропускной способности 4.000 Мбайт/с. Intel настоятельно не рекомендует устанавливать накопитель в слоты PCI Express, которые подключены не к CPU, а к чипсету PCH. Дело в том, что сам чипсет подключается к процессору через шину DMI 1,8 Гбайт/с, так что придётся пожертвовать значительной долей производительности (до 50%).

Компании Intel и Micron совместными усилиями создали новый тип системы хранения данных, который в тысячу раз быстрее самой передовой памяти NAND Flash. Новый тип памяти, получивший название 3D XPoint, показывает скорости чтения и записи в тысячу раз превышающие скорость обычной памяти NAND, а также обладает высокой степенью прочности и плотности. Новая память в десять раз плотнее чипов NAND и позволяет на той же физической площади сохранять больше данных и при этом потребляет меньше питания. Intel и Micron заявляют, что их новый тип памяти может использоваться как в качестве системной, так и в качестве энергозависимой памяти, то есть, другими словами, ее можно использовать в качестве замены как оперативной RAM-памяти, так и SSD. В настоящий момент компьютеры могут взаимодействовать с новым типом памяти через интерфейс PCI Express, однако такой тип подключения не сможет полностью раскрыть весь потенциал скоростей новой памяти, поэтому для максимальной эффективности памяти XPoint придется разработать новую архитектуру материнской платы. Уже в 2016 году эта технология получила широкое применение и используется как в аналогах флеш-карт, так и в модулях оперативной памяти и жестких дисках. Благодаря новой технологии, компьютерные игры получат мощнейшее развитие, ведь сложные по объему памяти локации и карты будут загружаться мгновенно. Intel заявляет о 1000-кратном превосходстве нового типа памяти, по сравнению с привычными нам флеш-картами и жесткими дисками. Устройства под брендом Optane будет производить компания Micron с использованием 20-нм техпроцесса. В первую очередь будет произведен выпуск 2.5 дюймовых твердотельных накопителей SSD, но также выйдут диски SSD с другими типоразмерами.