Expreso NVM
Interfaz utilizada para conectar dispositivos de almacenamiento
Expreso NVM
Especificación de la interfaz del controlador de host de memoria no volátil
AbreviaturaNVMe
EstadoPublicado
Año iniciado2011 ; hace 13 años ( 2011 )
Última versión2.1
5 de agosto de 2024 [1]
OrganizaciónNVM Express, Inc. (desde 2014)
NVM Express Work Group (antes de 2014)
Sitio webnvmexpress.org

NVM Express ( NVMe ) o Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification ( NVMHCIS ) es una especificación de interfaz de dispositivo lógico abierta para acceder a los medios de almacenamiento no volátil de una computadora, generalmente conectados a través del bus PCI Express . Las iniciales NVM significan memoria no volátil , que a menudo es memoria flash NAND que viene en varios factores de forma física, incluidas las unidades de estado sólido (SSD), las tarjetas complementarias PCIe y las tarjetas M.2 , el sucesor de las tarjetas mSATA . NVM Express, como interfaz de dispositivo lógico, ha sido diseñada para capitalizar la baja latencia y el paralelismo interno de los dispositivos de almacenamiento de estado sólido. [2]

Desde el punto de vista arquitectónico, la lógica de NVMe se almacena físicamente dentro del chip controlador de NVMe, que se encuentra ubicado físicamente junto al medio de almacenamiento (normalmente un SSD), y se ejecuta mediante él. Los cambios de versión de NVMe (por ejemplo, de la 1.3 a la 1.4) se incorporan dentro del medio de almacenamiento y no afectan a los componentes compatibles con PCIe, como las placas base y las CPU. [3]

Por su diseño, NVM Express permite que el hardware y el software del host aprovechen al máximo los niveles de paralelismo posibles en los SSD modernos. Como resultado, NVM Express reduce la sobrecarga de E/S y aporta varias mejoras de rendimiento en relación con las interfaces de dispositivos lógicos anteriores, incluidas múltiples colas de comandos largas y una latencia reducida. Los protocolos de interfaz anteriores, como AHCI , se desarrollaron para su uso con unidades de disco duro (HDD) mucho más lentas, donde existe un retraso muy prolongado (en relación con las operaciones de la CPU) entre una solicitud y la transferencia de datos, donde las velocidades de los datos son mucho más lentas que las velocidades de la RAM y donde la rotación del disco y el tiempo de búsqueda dan lugar a requisitos de optimización adicionales.

Los dispositivos NVM Express están disponibles principalmente en forma de tarjetas de expansión PCI Express de tamaño estándar [4] y como dispositivos de formato de 2,5 pulgadas que proporcionan una interfaz PCI Express de cuatro carriles a través del conector U.2 (antes conocido como SFF-8639). [5] [6] Los dispositivos de almacenamiento que utilizan SATA Express y la especificación M.2 que admiten NVM Express como interfaz de dispositivo lógico son un caso de uso popular para NVMe y se han convertido en la forma dominante de almacenamiento de estado sólido para servidores, computadoras de escritorio y portátiles por igual. [7] [8]

Presupuesto

Las especificaciones para NVMe publicadas hasta la fecha incluyen: [9]

  • 1.0e (enero de 2013)
  • 1.1b (julio de 2014)
  • 1.2 (noviembre de 2014)
    • 1.2a (octubre de 2015)
    • 1.2b (junio de 2016)
    • 1.2.1 (junio de 2016)
  • 1.3 (mayo de 2017)
    • 1.3a (octubre de 2017)
    • 1.3b (mayo de 2018)
    • 1.3c (mayo de 2018)
    • 1.3d (marzo de 2019)
  • 1.4 (junio de 2019)
    • 1.4a (marzo de 2020)
    • 1.4b (septiembre de 2020)
    • 1.4c (junio de 2021)
  • 2.0 (mayo de 2021) [10]
    • 2.0a (julio de 2021)
    • 2.0b (enero de 2022)
    • 2.0c (octubre de 2022)
    • 2.0d (enero de 2024) [11]
  • 2.1 (agosto de 2024) [1]

Fondo

Intel SSD serie 750, un SSD que utiliza NVM Express, en forma de tarjeta de expansión PCI Express 3.0 ×4 (vistas frontal y posterior)

Históricamente, la mayoría de los SSD utilizaban buses como SATA , SAS o Fibre Channel para interactuar con el resto de un sistema informático. Desde que los SSD estuvieron disponibles en los mercados masivos, SATA se ha convertido en la forma más típica de conectar SSD en computadoras personales ; sin embargo, SATA fue diseñado principalmente para interactuar con unidades de disco duro mecánicas (HDD), y se volvió cada vez más inadecuado para los SSD, que mejoraron en velocidad con el tiempo. [12] Por ejemplo, dentro de los cinco años de adopción generalizada en el mercado masivo (2005-2010) muchos SSD ya estaban frenados por las velocidades de datos comparativamente lentas disponibles para los discos duros; a diferencia de las unidades de disco duro, algunos SSD están limitados por el rendimiento máximo de SATA.

Los SSD de gama alta se habían fabricado utilizando el bus PCI Express antes de NVMe, pero utilizando interfaces de especificaciones no estándar o emulando un controlador RAID de hardware. [13] Al estandarizar la interfaz de los SSD, los sistemas operativos solo necesitan un controlador de dispositivo común para funcionar con todos los SSD que se adhieren a la especificación. También significa que cada fabricante de SSD no tiene que diseñar controladores de interfaz específicos. Esto es similar a cómo se construyen los dispositivos de almacenamiento masivo USB para seguir la especificación de clase de dispositivo de almacenamiento masivo USB y funcionar con todas las computadoras, sin necesidad de controladores por dispositivo. [14]

Los dispositivos NVM Express también se utilizan como bloques de construcción del almacenamiento de búfer de ráfagas en muchas supercomputadoras líderes, como Fugaku Supercomputer , Summit Supercomputer y Sierra Supercomputer , etc. [15] [16]

Historia

Los primeros detalles de un nuevo estándar para acceder a la memoria no volátil surgieron en el Intel Developer Forum 2007, cuando se mostró NVMHCI como el protocolo del lado del host de un diseño arquitectónico propuesto que tenía al Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI) en el lado de los chips de memoria (flash). [17] Ese año se formó un grupo de trabajo NVMHCI dirigido por Intel. La especificación NVMHCI 1.0 se completó en abril de 2008 y se publicó en el sitio web de Intel. [18] [19] [20]

El trabajo técnico sobre NVMe comenzó en la segunda mitad de 2009. [21] Las especificaciones de NVMe fueron desarrolladas por el grupo de trabajo NVM Express, que consta de más de 90 empresas; Amber Huffman de Intel fue la presidenta del grupo de trabajo. La versión 1.0 de la especificación se publicó el 1 de marzo de 2011, [22] mientras que la versión 1.1 de la especificación se publicó el 11 de octubre de 2012. [23] Las principales características añadidas en la versión 1.1 son la E/S de múltiples rutas (con uso compartido de espacios de nombres) y la E/S de dispersión-recolección de longitud arbitraria . Se espera que las futuras revisiones mejoren significativamente la gestión de espacios de nombres. [21] Debido a su enfoque en las características, NVMe 1.1 se llamó inicialmente "Enterprise NVMHCI". [24] En enero de 2013 se publicó una actualización de la especificación NVMe básica, denominada versión 1.0e. [25] En junio de 2011, se formó un grupo promotor liderado por siete empresas.

Los primeros chipsets NVMe disponibles comercialmente fueron lanzados por Integrated Device Technology (89HF16P04AG3 y 89HF32P08AG3) en agosto de 2012. [26] [27] La ​​primera unidad NVMe, la unidad empresarial XS1715 de Samsung , se anunció en julio de 2013; según Samsung, esta unidad admitía velocidades de lectura de 3 GB/s, seis veces más rápido que sus ofertas empresariales anteriores. [28] La familia de controladores LSI SandForce SF3700, lanzada en noviembre de 2013, también admite NVMe. [29] [30] Un producto "prosumer" Kingston HyperX que utiliza este controlador se exhibió en el Consumer Electronics Show 2014 y prometió un rendimiento similar. [31] [32] En junio de 2014, Intel anunció sus primeros productos NVM Express, la familia de centros de datos Intel SSD que interactúa con el host a través del bus PCI Express, que incluye la serie DC P3700, la serie DC P3600 y la serie DC P3500. [33] A partir de noviembre de 2014 , las unidades NVMe están disponibles comercialmente.[actualizar]

En marzo de 2014, el grupo se incorporó para convertirse en NVM Express, Inc., que a partir de noviembre de 2014 [actualizar]consta de más de 65 empresas de toda la industria. Las especificaciones de NVM Express son propiedad de NVM Express, Inc. y se encarga de su mantenimiento, lo que también promueve el conocimiento de la industria de NVM Express como un estándar de toda la industria. NVM Express, Inc. está dirigida por una junta directiva de trece miembros seleccionados del Grupo Promotor, que incluye a Cisco, Dell, EMC, HGST, Intel, Micron, Microsoft, NetApp, Oracle, PMC, Samsung, SanDisk y Seagate. [34]

En septiembre de 2016, la Asociación CompactFlash anunció que lanzaría una nueva especificación de tarjeta de memoria, CFexpress , que utiliza NVMe. [ cita requerida ]

La característica NVMe Host Memory Buffer (HMB) se agregó en la versión 1.2 de la especificación NVMe. [35] HMB permite que los SSD utilicen la DRAM del host , lo que puede mejorar el rendimiento de E/S para SSD sin DRAM. [36] Por ejemplo, HMB se puede usar para almacenar en caché la tabla FTL por el controlador SSD, lo que puede mejorar el rendimiento de E/S. [37] NVMe 2.0 agregó la característica opcional Zoned Namespaces (ZNS) y la característica Key-Value (KV), y soporte para medios rotativos como discos duros. ZNS y KV permiten que los datos se asignen directamente a su ubicación física en la memoria flash para acceder directamente a los datos en un SSD. [38] ZNS y KV también pueden disminuir la amplificación de escritura de los medios flash.

Factores de forma

Hay muchos factores de forma de unidad de estado sólido NVMe, como AIC, U.2, U.3, M.2, etc.

AIC (tarjeta complementaria)

Casi todas las primeras unidades de estado sólido NVMe son AIC HHHL (altura media, longitud media) o FHHL (altura completa, longitud media), con una interfaz PCIe 2.0 o 3.0. Una tarjeta de unidad de estado sólido NVMe HHHL es fácil de insertar en una ranura PCIe de un servidor.

U.2 (SFF-8639)

U.2, anteriormente conocida como SFF-8639 , es una interfaz informática para conectar unidades de estado sólido a una computadora. Utiliza hasta cuatro carriles PCI Express. Los servidores disponibles pueden combinar hasta 48 unidades de estado sólido NVMe U.2. [39]

U.3 (SFF-8639 o SFF-TA-1001)

U.3 se basa en la especificación U.2 y utiliza el mismo conector SFF-8639. Es un estándar de "tres modos", que combina compatibilidad con SAS, SATA y NVMe en un único controlador. U.3 también puede admitir el intercambio en caliente entre las diferentes unidades cuando el soporte de firmware está disponible. Las unidades U.3 siguen siendo compatibles con versiones anteriores de U.2, pero las unidades U.2 no son compatibles con los hosts U.3.

M.2

M.2, anteriormente conocido como Next Generation Form Factor ( NGFF ), utiliza un bus informático de unidad de estado sólido M.2 NVMe . Las interfaces proporcionadas a través del conector M.2 son PCI Express 3.0 o superior (hasta cuatro carriles ).

EDSFF

NVMe-oF

NVM Express over Fabrics ( NVMe-oF ) es el concepto de utilizar un protocolo de transporte a través de una red para conectar dispositivos NVMe remotos, a diferencia del NVMe normal, donde los dispositivos NVMe físicos se conectan a un bus PCIe directamente o a través de un conmutador PCIe a un bus PCIe. En agosto de 2017, la organización de estándares Comité Internacional de Estándares de Tecnología de la Información (ICITS) presentó un estándar para usar NVMe sobre Fibre Channel (FC ), y esta combinación a menudo se conoce como FC-NVMe o, a veces, NVMe/FC. [40]

A partir de mayo de 2021, los protocolos de transporte NVMe compatibles son:

El estándar para NVMe over Fabrics fue publicado por NVM Express, Inc. en 2016. [45] [46]

El siguiente software implementa el protocolo NVMe-oF:

Comparación con AHCI

La interfaz avanzada de controlador de host (AHCI) tiene la ventaja de una amplia compatibilidad de software, pero tiene la desventaja de no ofrecer un rendimiento óptimo cuando se utiliza con unidades SSD conectadas a través del bus PCI Express . Como interfaz de dispositivo lógico, AHCI se desarrolló cuando el propósito de un adaptador de bus de host (HBA) en un sistema era conectar el subsistema de CPU/memoria con un subsistema de almacenamiento mucho más lento basado en medios magnéticos giratorios . Como resultado, AHCI introduce ciertas ineficiencias cuando se utiliza con dispositivos SSD, que se comportan mucho más como RAM que como medios giratorios. [7]

La interfaz del dispositivo NVMe se ha diseñado desde cero, aprovechando la latencia más baja y el paralelismo de los SSD PCI Express, y complementando el paralelismo de las CPU, plataformas y aplicaciones contemporáneas. En un nivel alto, las ventajas básicas de NVMe sobre AHCI se relacionan con su capacidad para explotar el paralelismo en el hardware y software del host, manifestado por las diferencias en las profundidades de la cola de comandos , la eficiencia del procesamiento de interrupciones , la cantidad de accesos a registros no almacenables en caché , etc., lo que resulta en varias mejoras de rendimiento. [7] [56] : 17–18 

La siguiente tabla resume las diferencias de alto nivel entre las interfaces de dispositivos lógicos NVMe y AHCI.

Comparación de alto nivel de AHCI y NVMe [7]
 AHCINVMe
Profundidad máxima de la colaUna cola de comandos;
hasta 32 comandos por cola		Hasta 65535 colas; [57]
Hasta 65536 comandos por cola
Accesos a registros que no se pueden almacenar en caché
(2000 ciclos cada uno)		Hasta seis por comando no en cola;
hasta nueve por comando en cola		Hasta dos por comando
InterrumpirUna sola interrupciónHasta 2048 interrupciones MSI-X
Paralelismo
y múltiples hilos		Requiere bloqueo de sincronización
para emitir un comando		Sin bloqueo
Eficiencia
para comandos de 4 KB		Los parámetros de comando requieren
dos recuperaciones de DRAM de host serializadas		Obtiene parámetros de comando
en una búsqueda de 64 bytes
Transmisión de datosGeneralmente semidúplexDúplex completo
Búfer de memoria del host (HMB)NoSí

Compatibilidad con sistemas operativos

La posición de las rutas de datos NVMe y múltiples colas internas dentro de varias capas de la pila de almacenamiento del kernel de Linux [58]
Sistema operativo Chrome
El 24 de febrero de 2015, se agregó soporte para el arranque desde dispositivos NVM Express a ChromeOS . [59] [60]
Libélula BSD
La primera versión de DragonFly BSD con soporte NVMe es la versión 4.6. [61]
BSD libre
Intel patrocinó un controlador NVM Express para las ramas principal y estable/9 de FreeBSD . [62] [63] Los controladores nvd(4) y nvme(4) están incluidos en la configuración del kernel GENÉRICO de manera predeterminada desde la versión 10.2 de FreeBSD en 2015. [64]
Genodo
Se agregó soporte para NVMe de nivel de consumidor al marco Genode como parte de la versión 18.05 [65] .
Haiku
Haiku obtuvo soporte para NVMe el 18 de abril de 2019. [66] [67]
Ilumos
illumos recibió soporte para NVMe el 15 de octubre de 2014. [68]
iOS
Con el lanzamiento del iPhone 6S y 6S Plus , Apple presentó la primera implementación móvil de NVMe sobre PCIe en teléfonos inteligentes. [69] Apple siguió estos lanzamientos con el lanzamiento del iPad Pro de primera generación y el iPhone SE de primera generación que también usan NVMe sobre PCIe. [70]
Linux
Intel publicó un controlador NVM Express para Linux el 3 de marzo de 2011, [71] [72] [73] que se fusionó con la línea principal del kernel de Linux el 18 de enero de 2012 y se lanzó como parte de la versión 3.3 del kernel de Linux el 19 de marzo de 2012. [74] El kernel de Linux admite NVMe Host Memory Buffer [75] desde la versión 4.13.1 [76] con un tamaño máximo predeterminado de 128 MB. [77] El kernel de Linux admite espacios de nombres con zonas NVMe a partir de la versión 5.9.
macOS
Apple introdujo soporte de software para NVM Express en Yosemite 10.10.3. La interfaz de hardware NVMe se introdujo en la MacBook y MacBook Pro de 2016. [78]
NetBSD
NetBSD agregó soporte para NVMe en NetBSD 8.0. [79] La implementación se deriva de OpenBSD 6.0.
OpenBSD
El trabajo de desarrollo necesario para soportar NVMe en OpenBSD comenzó en abril de 2014 por un desarrollador senior anteriormente responsable de la compatibilidad con USB 2.0 y AHCI . [80] La compatibilidad con NVMe se ha habilitado en la versión OpenBSD 6.0. [81]
Sistema operativo/2
Arca Noae proporciona un controlador NVMe para ArcaOS a partir de abril de 2021. El controlador requiere interrupciones avanzadas como las que proporciona el PSD ACPI que se ejecuta en modo de interrupción avanzada (modo 2), por lo que también requiere el kernel SMP. [82]
Solaris
Solaris recibió soporte para NVMe en Oracle Solaris 11.2. [83]
VMware
Intel ha proporcionado un controlador NVMe para VMware , [84] que está incluido en vSphere 6.0 y versiones posteriores, y es compatible con varios dispositivos NVMe. [85] A partir de la actualización 1 de vSphere 6, el subsistema de almacenamiento definido por software VSAN de VMware también es compatible con dispositivos NVMe. [86]
Ventanas
Microsoft agregó soporte nativo para NVMe a Windows 8.1 y Windows Server 2012 R2 . [56] [87] Se agregaron controladores nativos para Windows 7 y Windows Server 2008 R2 en actualizaciones. [88] Muchos proveedores también lanzaron sus propios controladores de Windows para sus dispositivos. También hay archivos de instalación personalizados manualmente disponibles para instalar el controlador de un proveedor específico en cualquier tarjeta NVMe, como usar un controlador NVMe de Samsung con un dispositivo NVMe que no sea de Samsung, que puede ser necesario para funciones adicionales, rendimiento y estabilidad. [89]
La compatibilidad con NVMe HMB se agregó en Windows 10 Anniversary Update (versión 1607) en 2016. [35] En Microsoft Windows desde Windows 10 1607 hasta Windows 11 23H2 , el tamaño máximo de HMB es de 64 MB. Windows 11 24H2 actualiza el tamaño máximo de HMB a 1/64 de la RAM del sistema. [90]
La compatibilidad con NVMe ZNS y KV se agregó en Windows 10 versión 21H2 y Windows 11 en 2021. [91] OpenFabrics Alliance mantiene un controlador NVMe de Windows de código abierto para Windows 7/8/8.1 y Windows Server 2008R2/2012/2012R2, desarrollado a partir del código base enviado por varias empresas promotoras en el grupo de trabajo NVMe, específicamente IDT, Intel y LSI. [92] La versión actual es la 1.5 de diciembre de 2016. [93]

Soporte de software

UEMQ
QEMU admite NVMe desde la versión 1.6 publicada el 15 de agosto de 2013. [94] Los dispositivos NVMe presentados a los invitados de QEMU pueden ser reales o emulados.
UEFI
Un controlador NVMe de código abierto para UEFI está disponible en SourceForge. [95]

Herramientas de gestión

nvme-clien Linux

control nvme

La nvmecontrolherramienta se utiliza para controlar un disco NVMe desde la línea de comandos en FreeBSD. Se agregó en FreeBSD 9.2. [96]

nvme-cli

Herramientas de espacio de usuario NVM-Express para Linux. [97]

Véase también

Referencias

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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con NVM Express .
  • Sitio web oficial
  • Asociación CompactFlash
  • LFCS: Preparación de Linux para dispositivos de memoria no volátil, LWN.net , 19 de abril de 2013, por Jonathan Corbet
  • Almacenamiento PCI Express con múltiples rutas, Linux Foundation , 12 de marzo de 2015, por Keith Busch
  • NVMe, NVMe-oF y RDMA para ingenieros de redes, agosto de 2020, por Jerome Tissieres
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