SSD新正規化｜從SATA到NVMe（上篇）

　　從結繩記事，到甲骨文、竹簡、紙張，再到如今的硬碟、隨身碟乃至固態盤（SSD），可以說人類儲存資訊方式一直伴隨著人類文明的發展。

　　資訊儲存方式的每次革新都會讓人類歷史文明進入到一個新的階段。而人類文明的發展讓資訊資料激增，同時也促進了儲存方式的進一步創新和發展。

　　如今，經過多年的打磨，SSD替代傳統機械硬碟（HDD）已經成為業界共識。但SSD的發展也不是一蹴而就，而是經過不斷的迭代升級，才保持了出色的競爭力。

　　 SSD：摩爾定律的“儲存信徒”

　　如今的計算機體系雖然經歷了數十年的快速發展，在摩爾定律的指引下不斷迭代，提高效能的同時降低成本，架構和指令集多次切換融合，但總的發展依然是脫胎於上個世紀的馮·諾依曼（Von Neumann）計算技術架構以及0101（二進位制）的計算和儲存方式。

　　儲存介質不僅衍生出紙帶、磁帶、磁碟、光碟以及固態（Solid State）儲存等多種型別，也針對不同客戶需求分化出消費級和企業級兩大市場。

　　NAND快閃記憶體的結構和生產過程和CPU、記憶體等半導體器件有很大共性，所以（基於NAND快閃記憶體的）SSD可以受益於摩爾定律帶來的半導體整合度的提升和成本降低，能夠滿足計算對儲存效能不斷提高的要求。

　　 SATA：見證從HDD向SSD的過渡

　　企業級儲存介質的發展其實非常早，已經有將近100年的發展和傳承。

　　1956年第一款商用的硬碟就是繼承了1928年發明的磁帶的磁儲存方式。在上世紀80年代快閃記憶體（Flash）被發明以後的相當長一段時間，硬碟是市場上主流的儲存介質，所以SSD必須考慮對基於硬碟的生態的相容性。

　　為了提升SSD的相容性，硬碟資料劃分的扇區、LBA等概念都被SSD所“繼承“，而硬碟（當時）主流的SATA介面也順理成章的被保留了下來。

　　與SATA介面相伴的是硬碟的標準外形。當SSD進入市場的時候，多數SSD選擇了硬碟外形的"最大公約數"——2.5英寸，可以相容幾乎所有的使用環境，從伺服器到桌上型電腦，乃至膝上型電腦。

　　可以說，已經高度普及的SATA介面和相容性超強的2.5英寸外形，讓SSD迅速無障礙地融入了各式計算機的生態系統當中。不論是在作業系統層面，還是在物理規格層面，硬碟到SSD的變化都是透明的。這種無縫銜接顯然有助於使用者更順利地轉向SSD。

　　相容HDD建立的介面（SATA/SAS）和規格（Form Factor）生態，是讓SSD迅速進入市場，被使用者快速接受的最佳手段。

　　 NVMe：SSD走出自己的高速路

　　值得注意的是，SSD還有另一種形態就是擴充套件卡（AIC，add in card），透過標準PCIe擴充套件插槽安裝在主機板上。早期，多見於一些基於SLC的高效能SSD，作為HDD的加速快取而存在。

　　插在主機板PCIe擴充套件槽上的擴充套件卡形態PCIe SSD，外形符合標準的PCIe Add-in Card，由PCI Express Card Electromechanical（PCI-CEM）規範定義。除此之外，PCIe介面的SSD還有2.5英寸外形（如U.2介面），口香糖大小的M.2，以及正在進入市場的EDSFF等多種形態，後續會有專文介紹。

　　圖注：2020年10月SK海力士*與英特爾 *簽訂協議，收購後者的NAND 和固態硬碟（SSD）業務，並在2021年正式成立獨立子公司 Solidigm

　　隨著SSD的效能不斷提高，越來越多的人感覺到，不僅SATA介面頻寬拖後腿，機械硬碟時代設計的AHCI協議也開始不適應低延時的SSD。

　　2009年，英特爾*作為牽頭人，組織行業內90多個企業，包括三星*、美光*、戴爾*、Marvell* 、NetApp*、EMC*、IDT*等，成立了NVMe工作組，為SSD量身定製新的標準，期望將SSD從頻寬演進緩慢的SATA介面與低效的AHCI協議中解放出來。

　　2011年，NVMe標準正式出爐，2012年更新到NVMe 1.1，2014年發展到NVME 1.2。現在主流SSD支援的NVMe 1.3和1.4分別於2017年和2019年釋出。NVMe 2.0 已於 2021 年 6 月釋出，並在2022年1月更新至2.0b，從版本號的大跨步可以知道，NVMe經過逾十年的發展，迎來脫胎換骨般的變化。

　　NVMe全稱Non-Volatile Memory Express，即非易失性儲存器標準，從名字看就是為快閃記憶體為代表的固態儲存器定製的。NVMe的設計還充分利用了PCIe介面通道的低延時以及並行性。AHCI誕生於高延時、低頻寬的機械硬碟時代，其控制器透過PCH與CPU通訊，硬體上就會增加延時，而NVMe允許SSD透過PCIe直連CPU，進一步降低延時。

　　除了大幅進步的高頻寬、低延時，較新版本的NVMe在併發效能、QoS、可管理性等方面不斷完善。隨著SSD容量和併發訪問量多年來指數級的快速增長，早期NVMe的一些設計也會成為瓶頸，最新的NVMe 2.0也做了一些根本性的底層改進以提升效率，可以降低SSD的寫入放大係數、減少對快取的容量需求、提升應用程式對控制器的訪問效率等等。

　　從SATA介面+AHCI轉換為PCIe介面+NVMe，極大地釋放了SSD的效能潛力，使其成為英特爾至強E5 v2*及以後的伺服器平臺最匹配的儲存裝置。

　　NVMe與2.5英寸相結合，就誕生了我們今天廣為使用的U.2 SSD。它繼承了企業級2.5英寸的尺寸規格，使得機箱無需做大的改動就可以從2.5英寸的SATA轉變成NVMe；還支援熱插拔，比AIC形態的SSD更便於維護和管理。

　　 NVMe SSD的六大技術優勢

　　首先，介面速度更快。依託於PCIe介面的NVMe，進入PCIe4.0時代後，介面頻寬比PCIe 3.0增加1倍。英特爾*2023年要推出的Eagle Stream平臺將開始支援PCIe 5.0，NVMe SSD將隨之進入PCIe 5.0的時代，這次迭代將使得NVMe SSD的介面速度提升至SATA SSD介面速度的26倍；而時間跨度只有短短的數年，這個增長速度將遠遠大於摩爾定律的傳統迭代速度，將過去十年發展速度過慢造成的儲存和計算間的巨大效能鴻溝幾近填平。

　　資料來源：NVMe SPEC和SATA Ⅲ SPEC

　　其次，管理性、功能性更好。從協議本身來看，NVMe協議在管理性，功能性上也在快速迭代，以適應現代化的資料中心對計算儲存和分散式儲存的要求，協議的發展速度甚至超過了SSD廠家開發產品的速度。使得基於新協議的SSD更智慧，資料安全更有保障，形態也更多樣化。讓NVMe協議以及基於NVMe協議的裝置有了更多創新的機會。

　　第三，單位容量 （每GB或每TB）效能更好，隨著SSD的容量越來越大，其儲存的資料越來越多，使得同一個SSD服務的例項數量也越來越多，這樣帶來一個問題，每個例項對SSD都有效能要求的情況下，每例項或者每GB的效能要求也就越來越高。因為NVMe SSD隨PCIe不斷迭代，正在從PCIe 3.0過渡到PCIe 4.0，又會迅速迎來PCIe 5.0，這將使得單位容量的效能可以保持一個較高的水平。

　　資料來源：Solidigm™ 實驗室測試結果

　　第四，延遲更低。從HDD到SSD最大的延遲變化是介質帶來的，也就是電子的NAND要比機械的硬碟反應快得多。而SATA到NVMe則在協議本身做了相當多的最佳化，從而使得基於NVMe協議的SSD反應要比基於AHCI協議的SSD要快。延遲對於當今的企業級儲存將變得越來越重要，例如，我們希望刷影片的時候點到就能播放，希望語音聊天或者影片聊天的時候完全沒有卡頓，這些都與儲存延時有相當大的關係。

　　資料來源：NVMe SPEC和SATA III SPEC

　　第五，I/O效率更高。相比基於SATA SSD的儲存系統，NVMe的SSD系統單核可以達到的效能更高，而同時NVMe SSD支援隨機多路併發讀寫，比如一臺搭配NVMe SSD的儲存伺服器能做的工作需要若干臺SATA SSD儲存伺服器才能達到。這樣算下來基於NVMe SSD的儲存伺服器TCO更好。

　　最後，儲存搭配更加靈活。從儲存搭配的靈活度來看，因為SATA 介面在速度達到600MB/s之後不再發展，使得目前SSD的不同介質在SATA介面面前變得沒有區別，甚至傲騰*SSD做成SATA介面也無法體現出來它的介質優勢。而NVMe的上限就高得多且在繼續提高，因為介質訪問速度的不同，可以將不同介質的NVMe SSD進行快慢搭配，以滿足不同形態下儲存的多樣化需求。

　　同時，PCIe的不斷迭代，又給NVMe形態帶來了新的挑戰，例如功耗，散熱，儲存密度等等。而創新的NVMe SSD形態就能完美的解決這些問題，例如EDSSF 可以解決散熱問題而平衡高密度和散熱。NVMe SSD的形態將會比SATA SSD的形態多很多，這就給創新帶來了機會，也大大提升了SSD的適配性，更好地滿足不同應用場景的需求。