機械式硬碟的存取延遲是數千μs等級,一般SSD的存取延遲則可降到數百μs等級,較傳統機械式硬碟低了100倍以上,而改用NVMe介面的SSD,存取延遲又較採用傳統介面的SSD低了10倍以上。圖片來源/Mellanox

結合PCIe匯流排與全新軟體堆疊架構,NVMe介面可以帶來前所未見的低延遲、高頻寬效能,堪稱是進一步解放固態儲存裝置效能的關鍵技術。

目前,NVMe介面已經進入許多個人使用者與企業的周圍,採用NVMe介面的高階SSD已經推出市場,當前許多高階筆記型電腦都已經引進NVMe介面的SSD,許多伺服器也都已經能支援NVMe的內接SSD。

更進一步,NVMe介面也能透過NVMe-over-Fabrics(NVMeF)網路儲存架構,應用在外接介面上,讓跨網路的快閃儲存陣列存取應用,藉由NVMe獲得遠高於FC、iSCSI等傳統SAN傳輸介面的效能,將存取延遲降到傳統介面無法企及的層次,因而NVMeF架構,也成了當前各大全快閃儲存設備供應商追逐的新目標。

自EMC於2016年初發表的全球首款NVMeF儲存陣列DSSD D5起,陸續有廠商跟進推出NVMeF儲存陣列產品,儘管部份產品的發展並不順遂——例如DSSD D5便已經退出市場,但仍持續有廠商投入這個新領域,涵蓋了第一線大廠如Pure Storage與華為,以及新創公司,還包括部分臺灣國產廠商。

預期在未來1、2年內,多數主要快閃儲存陣列廠商都會以不同的型式,支援NVMe儲存架構,讓快閃儲存設備的應用,進入一新階段。

NVMe儲存陣列的利基—超低的存取延遲

相較於基於硬碟的傳統儲存陣列,全快閃儲存陣列的賣點,是傳統儲存陣列無法企及的高傳輸頻寬與低存取延遲,所帶來的效能優勢;而NVMe化的全快閃儲存陣列,賣點則是「極致」的低存取延遲。而NVMe達成這種優勢的關鍵,則在於結合了PCIe匯流排與新的軟體堆疊架構。

NMVe的物理層是嫁接在PCIe匯流排上,從而可以透過PCIe獲得較傳統儲存介面更大的傳輸頻寬,以及更短的存取路徑。不過就這一點來說,過去便已有部份快閃儲存設備,採用了類似的PCIe傳輸架構,因此NVMe真正的優勢,其實是在新的軟體堆疊上。

隨著SSD儲存媒體效能的持續提高,讓軟體堆疊逐漸成為制約SSD效能的新瓶頸。過去在硬碟時代,由於硬碟本身的存取延遲是數千μs以上的等級,軟體堆疊造成的額外數百μs延遲,幾乎可以忽略不計。然而,現在的SSD已經擁有數百μs等級的存取延遲表現,這時候軟體堆疊造成的額外延遲,對SSD的效能表現就會有很大影響。

影響SSD的軟體堆疊延遲,包括底層處理SCSI協定造成的延遲(大約消耗100μs(0.1ms)左右的延遲),以及跨遠端存取時,處理網路傳輸協定所造成的延遲,包括介面卡與交換器的延遲(例如FC大約消耗50μs,FCoE為200μs,FC交換器每經過一個Hop大約消耗0.7μs,乙太網路交換器每一Hop則消耗0.2~1μs)。

而NVMe協定則能透過新設計的軟體堆疊架構,擁有更具效率的存取機制,包括省略了讀取暫存器、提供更大的駐列深度(Queue Depth)、更有效率的平行多執行緒等,大幅降低SSD的存取延遲。

以OpenFabrics Alliance提供的數據為例,當傳輸架構的底層同樣使用PCIe 3.0×4匯流排時,採用傳統SCSI協定的SSD存取延遲大致在90~100μs左右,但若改用NVMe協定,則可將一舉將SSD存取延遲降到20μs以下,而且未來還有降到10μs等級的可能。也就是說,對於追求極致高效的PCIe SSD裝置來說,改用NVMe協定可縮減80~90%的存取延遲,從而顯著提高SSD的IOPS效能。

而就外接傳輸應用來說,一般對於全快閃儲存陣列的存取延遲要求,是1ms以下,目前基於FC、iSCSI等傳統傳輸介面的全快閃儲存設備,都能達到這個水準,許多產品還能達到0.8ms存取延遲的水準,較高檔的產品則能將存取延遲降到0.5ms的等級。

不過,對於NVMeF架構的儲存陣列來說,存取延遲則是從100μs起跳,也就是0.1ms,只相當於傳統全快閃儲存陣列的1/5到1/10,進而可大幅提高儲存陣列的IOPS效能。


Advertisement

更多 iThome相關內容