慧荣科技NVMe 2.0实现混合式NAND操作

随着固态硬盘在市场上的大量应用，大数据时代之下的AI、人工智能、高规格视频等应用与技术对存储的要求也越来越高。固态硬盘NAND层数越来越密，主控性能也逐年攀升，与固态硬盘相关的技术、规范也在随之更新。

其中，SATA率先成为个人电脑中连接SSD的主要方式。但是由于设计之初SATA作为串行接口，采用AHCI规范，只有1个深度为32的命令队列。伴随着时间的推移，越来越难满足速度日益提高的SSD。于是，高端SSD开始采用PCIe总线以提供更高性能，但由于没有统一标准，需使用非标准规范的接口。

NVMe的技术工作始于2009年，由来自全球90多家公司组成的NVM Express工作组制定相关规范。由于其拥有65535个命令队列，每个队列都可以深达65536个命令，同时也充分使用了MSI的2048个中断向量优势，大大减小延迟。NVMe在性能和标准化上的大为改进，成为了众多公司所推崇的规范。

2011年，NVMe 1.0版本正式推出，最大带宽为1200MB/s；

2012年，IDT发布了第一批商用NVMe芯片组；

2013年，三星推出第一款NVMe固态硬盘；

2014年，NVMe正式注册成立集团，由来自行业中超过65家公司组成，共同维护和促进NVM Express规范的推行；

2017年，推出的NVMe 1.3在PCIe Gen3 SSD上得以大量应用；

2019年，NVMe1.4推出，成为PCIe Gen4 SSD的标配；

2021年6月，NVMe 2.0推出，到2022年1月，NVMe 2.0b推出，进一步完善。重组后的NVMe 2.0规范支持更快更简易地开发NVMe解决方案，在此前的基础上增加了对机械硬盘的支持，并且新增了可扩展性的命令集，如：分区命名空间（ZNS）以及键值（KV）等新功能。

经过多次更新后，NVMe 2.0规范中的ZNS现已支持根据数据使用频率进行分区，并将它们按顺序存储在固态硬盘内的独立区域，从而减少对存储数据的重写和重新排列，降低硬盘的写入放大系数（write amplification factor，WAF），最终实现整体硬盘的性能和寿命的提高。

ZNS还能减少固态硬盘对于DRAM缓存容量的需求。在传统固态硬盘上，需要按照1GB:1MB的比例配置DRAM缓存，才能保证固态硬盘保持出色的存储速度。而在ZNS固态硬盘上，每个映射分区的容量从4KB上升到了几十或者几百MB，对于容量更大的企业级硬盘而言则能省下更多DRAM缓存容量。

预计ZNS可减少8倍的DRAM缓存容量需求，并减少约10倍的OP预留空间需求。在此基础上，既降低的DRAM缓存配置成本，同时又提高了用户可使用硬盘容量，不仅是对于消费级固态硬盘，对于更大容量的企业级固态硬盘同样有着不可小觑的吸引力。

KV（key-value）指令集是 NVMe 2.0 的另一个重要功能，KV命令集将允许应用程序使用KV对（key-value pairs）与硬盘控制器通信，而不是通过块地址。以免除键和逻辑区块之间不必要的转换表（translation tables），降低CPU计算负荷从而降低整体开销。

Endurance Group Management同样是NVMe 2.0规范中的一项重要功能，通过这种全新的存储管理机制，可以灵活并动态地调节SSD配置，以实现动态容量管理和混合式NAND操作。以提升SSD的访问力度，并在整体上实现对存储设备更好的控制。

以上功能点的实现，离不开固态硬盘的主控芯片。根据ZNS分区命名空间，慧荣科技独家的硬件和固件技术，能根据不同应用需求将工作负载分别安排在不同的微处理器上，在NAND Flash实现Zone分割的同时也对主控芯片做隔离化处理，实现更灵活的控制调节和更高效能优化。

在诸多优点和改进下，NVMe将会为企业级固态硬盘带来更长使用寿命、更灵活管理机制和更低开销，将会成为企业级固态硬盘下一个重要技术节点趋势。慧荣科技作为全球领先的闪存主控芯片制造商，始终紧跟业界动态，积极应对创新技术和规范，NVMe 2.0产品及解决方案即将准备就绪，为大数据时代下的数据中心提供更高性能、更具BOM优势的企业级存储解决方案。

审核编辑：彭菁