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NVMe速度与SATA和SAS相比：哪一种速度最快？
NVMe协议是为使SSD快速而定制的。了解NVMe性能及其与SATA和SAS接口的比较。
NVME协议已成为支持固态驱动器和其他非易失性存储器子系统的行业标准。NVME速度大得比传统的存储协议（如SAS和SATA）的速度大。
非易失性内存快递标准是基于NVM快递公司发布的NVM快递基础规范，NVM快递公司是一家由科技行业领袖组成的非营利联盟。该联盟维护了一组规范，定义了主机软件如何通过支持的传输与非易失性内存通信。截至NVMe 2.0，该集包括以下规范：
- NVMe基本规范
- NVMe命令集规格(NVM命令集、分区命名空间命令集和关键值命令集)
- NVMe Transport规范(NVMe over PCIe Transport、RDMA Transport和TCP Transport)
- NVMe管理接口规范
NVM Express Base Specification定义了存储协议和主机控制器接口，为使用该协议的客户端和企业系统进行了优化基于PCIe的SSD．PCIe是一种串行扩展总线标准，使计算机能够连接到外围设备。
与PCI或PCI Extended (PCI- x)等老总线技术相比，PCIe总线可以提供更低的延迟和更高的传输速度。有了PCIe，每个总线都有自己的专用连接，所以它们不必争夺带宽。
符合PCIe标准的扩展插槽可以从一个数据传输通道扩展到32个数据传输通道。该标准定义了七种物理车道配置：x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32。配置基于车道数；例如，x8配置使用八个通道。车道越多，性能越好，成本也越高。
PCIe版本是影响性能的另一个因素。通常，每个版本的带宽和传输速率都是以前版本的两倍，因此版本越新，性能越好。例如，PCIe 3.0提供每个通道1 GBps的带宽；PCIe 4.0将带宽增加一倍，达到2 GBps；和PCIe 5.0.将带宽再增加一倍至4gbps。
什么是SSD？
一个固态硬盘是一种用于持久的电子数据的非易失性存储设备。与硬盘驱动器或磁带不同，SSD不包含可能破坏或失败的移动部件。相反，SSD使用Silicon Microchips来存储数据，因此它需要更少的功率并产生较少的热量。
今天的大多数SSD都基于闪存技术。每个设备包括闪存控制器和一个或多个NAND闪存芯片。
NVMe的速度和性能
NVME是从地上开发的，专门用于SSD提高吞吐量和IOPS，减少延迟和提高速度。假设基于PCIe 4.0并使用16个PCIe通道，基于nvme的驱动器理论上可以达到32 GBps的吞吐量。今天的PCIe 4.0 SSD倾向于是具有更接近7 Gbps的吞吐量的四通道设备。尽管一些驱动器达到20万IOPS，但许多人在500,000多台上达到了超过500,000的IOP，有一些高达1000万。与此同时，延迟率继续下降;许多驱动器达到低于20微秒（μs）的率，低于10。
也就是说，度量测量NVMe SSD速度（例如吞吐量或转移率）可以广泛变化。考虑到这项技术的动态性质，这些数字是趋势，而不是绝对绝对。诸如工作负载类型 - 写入与读取或随机VS的因素依次 - 可以对最大NVME速度产生显着差异。即便如此，很明显NVME显着优于胜过每个前端都有SAS和SATA等协议，尤其是与PCIe 4.0一起使用时。
NVME使用更精简的命令集来处理I / O请求，该请求需要少于CPU指令的数量少于SATA或SAS生成的。NVME还具有更广泛而有效的排队消息系统。例如，SATA和SAS每次都支持一个I / O队列。SATA队列最多可包含32个未完成的命令，SAS队列最多可包含256. NVME可以支持高达65,535个队列，每个队列最多可达64,000个命令。
这种排队机制使NVMe能够更好地利用SSD的并行处理能力，这是其他协议无法做到的。此外，NVMe通过PCIe总线使用远程直接内存访问将I/O命令和响应直接映射到主机的共享内存。这进一步减少了CPU开销，提高了NVMe速度。因此，每个CPU指令周期都可以支持更高的IOPS并减少主机软件堆栈中的延迟。
SAS和SATA速度和性能
SAS和SATA是方便连接的通用协议在主机软件和外设驱动器之间。SATA协议基于Advanced Technology Attachment标准，SAS协议基于SCSI标准。
SATA和SAS协议是专门为HDD设备开发的。虽然SAS通常被认为更快、更可靠，但这两种协议都可以轻松处理HDD工作负载。如果系统遇到与存储相关的障碍，通常是因为驱动器本身或其他因素，而不是因为协议。
ssd改变了这个等式。它们较高的IOPS很快就会超过旧的协议，这导致它们在充分利用驱动器的性能能力之前就达到了极限。
旧的协议在ssd上的性能不太好。SATA和SAS每次只支持一个I/O队列，与NVMe相比，这些队列只能包含少量未完成的命令。
此外，目前基于sata的驱动器只能达到6gbps的吞吐量，IOPS最高可达100,000左右。延迟通常超过100µs，不过一些新的基于sata的ssd可以实现更低的延迟。SAS驱动器的性能稍好一些;它们提供高达12 Gbps的吞吐量和平均20万到40万IOPS。即便如此，低IOPS也并非罕见。在某些情况下,SAS延迟率已经下降到100µs以下，但不多。
NVMe 2.0
NVMe 2.0规范定义了许多新的和增强的特性支持新兴的NVMe设备环境，但保持与以前版本的兼容性。2.0规范包括功能和管理更新，使NVMe与硬盘等旋转介质一起使用成为可能。
2021年发布的NVMe 2.0增加了两个命令集规范。zoning Namespaces命令集定义了一个存储设备接口，使主机和SSD能够协作放置数据。这有助于将数据与SSD的物理介质对齐，从而提高性能和资源使用。键值命令集允许应用程序使用键值对直接与SSD通信，从而避免键和逻辑块之间转换表的开销。
NVMe 2.0添加了其他几个重要特性，并更新了许多现有特性。例如:
- 命名空间类型使SSD控制器能够支持不同的NVME命令集。
- NVMe耐久性组管理通过将介质配置到耐久性组和NVM组中来改进SSD控制，从而公开对SSD的访问粒度。
- 多控制器固件更新定义在包含多个控制器的域上更新固件的行为。
- 命令组控制保护系统防止系统免受无意或恶意的变化。
- 命令和功能锁定使主机和管理控件能够阻止执行某些命令。
- 简单的复制命令允许主机将数据从多个逻辑块范围复制到一个连续的逻辑块范围。
NVME 2.0规范也增强了遥测，包括使具有不同域的大规模环境的功能，定义了一个可以跨越多个名称空间的新标识结构，并更新命令效果日志。
NVMe 1.3和NVMe 1.4
2019年，NVM Express group发布了NVMe 1.4规范．它基于2017年发布的NVME 1.3内置和改进了NVME 1.3。NVME 1.4引入了几种新的和增强的功能。例如，修订后的说明定定义了PCIe持久存储器区域，其中内容涵固电源周期。它定义了一种可预测的延迟模式，它使得能够良好的主机实现确定性读取延迟。
NVMe 1.4还允许在NVMe子系统中实现持久事件日志，向主机报告非对称名称空间访问特征，并允许主机关联NVM集和I/O提交队列。修订版增加了校验命令，检查存储数据和元数据的完整性。它定义了性能和持久性提示，允许控制器为写和释放操作指定首选粒度和对齐。
NVMe 1.4更新了许多现有特性。它增强了主机内存缓冲区，并允许在多个主机之间共享写流。该规范还定义了一种控制器机制，用于向主机通信名称空间分配粒度，并使其能够防止在进行清理操作后重新分配。
nvme在面料上
2016年6月，NVM Express Consortium发表了NVMe over fabric (NVMe- of)规格，延伸NVMe的好处跨以太网、InfiniBand和光纤通道等网络结构。联合体估计，90%的NVMe规范与NVMe规范相同。两者之间的主要区别在于协议处理主机和NVM子系统之间的命令和响应的方式。
2019年10月，NVM Express发布了NVME -1.1规范，该规范增加了对TCP传输绑定的支持。NVME通过TCP使得可以在标准以太网上使用NVME，而无需进行硬件或配置更改。联盟没有目前的计划进一步开发。相反，内容已滚入NVM Express基础规范的2.0版本中。
购买注意事项
购买SSD最大的考虑因素之一是选择基于SATA、SAS还是NVMe协议的驱动器。大多数企业数据中心更青睐NVMe，因为它的性能更好。
如果决策者选择NVME，他们应该考虑四个重要因素，具体到PCIe：
- 作为PCIe版本。每一代PCIe规范都带来了更高的性能，因此组织应该尝试选择符合最新版本的ssd。
- 作为PCIe车道数。大多数NVMe SSD仅限于四个PCIe通道，但并非全部。车道数越多，车辆的整体性能越好。
- SSD表单因子．PCIe SSD有四种形式：M.2、U.2、插件卡和EDSFF。决策者应该考虑诸如预算、驱动器的主机位置和可用空间的数量等因素。EDSFF是一种新兴技术，在性能、容量和可扩展性方面优于其他形式因素。
- 存储环境。ssd所在的硬件应该支持与驱动器相同的PCIe版本，以实现最大的好处。例如，如果用户在PCIe 3.0服务器上运行PCIe 4.0 SSD，驱动器将以PCIe 3.0速度运行，而不是PCIe 4.0。
