NVM Express

NVM Express（NVMe、Non-Volatile Memory Express）またはNon-Volatile Memory Host Controller Interface Specification（NVMHCIS）は、通常PCI Expressバスを介して接続されるコンピュータの不揮発性ストレージメディアにアクセスするためのオープンな論理デバイスインターフェース仕様です。最初のNVMは不揮発性メモリの略で、多くの場合、ソリッドステートドライブ（SSD）、PCIeアドインカード、​​mSATAカードの後継であるM.2カードなど、さまざまな物理的フォームファクタで提供されるNANDフラッシュメモリです。論理デバイスインターフェースであるNVM Expressは、ソリッドステートストレージデバイスの低レイテンシと内部並列性を活用するように設計されています。^{[ 1 ]}

アーキテクチャ的には、NVMe のロジックは、ストレージ メディア（通常は SSD）と物理的に同じ場所に配置された NVMe コントローラ チップ内に物理的に格納され、実行されます。NVMe のバージョン変更（例: 1.3 から 1.4）はストレージ メディア内に組み込まれ、マザーボードや CPU などの PCIe 互換コンポーネントには影響しません。^{[ 2 ]}

NVM Expressは、その設計上、ホストハードウェアとソフトウェアが最新のSSDで可能な並列処理レベルを最大限に活用できるようにします。その結果、NVM​​ ExpressはI/Oオーバーヘッドを削減し、複数の長いコマンドキューやレイテンシの低減など、従来の論理デバイスインターフェイスと比較してさまざまなパフォーマンス向上を実現します。AHCIなどの従来のインターフェイスプロトコルは、要求からデータ転送までの遅延が非常に長く（CPU操作に比べて）、データ速度がRAM速度よりもはるかに遅く、ディスクの回転時間とシーク時間によってさらなる最適化が必要となる、はるかに低速なハードディスクドライブ（HDD）で使用するために開発されました。

NVM Express デバイスは主に小型のM.2フォームファクタで提供されていますが、標準サイズの PCI Express拡張カード^{[ 3 ]}や、 U.2コネクタ (以前は SFF-8639 として知られていた)を介して 4 レーンの PCI Express インターフェースを提供する 2.5 インチ フォームファクタのデバイスも利用可能です。^{[ 4 ] [ 5 ]}

これまでに公開されたNVMeの仕様は以下のとおりです。^{[ 6 ]}

• 1.0e（2013年1月）
• 1.1b (2014 年 7 月) では、さまざまな NVMe デバイス間での互換性を向上させるための標準化されたコマンド セット、 NVMe デバイスを管理するための標準化されたツールを提供し、管理を簡素化する管理インターフェイス、およびさまざまな物理インターフェイスを介して NVMe コマンドがどのように転送されるかを定義し、相互運用性を強化するトランスポート仕様が追加されました。^{[ 7 ]}
• 1.2（2014年11月）
  • 1.2a（2015年10月）
  • 1.2b（2016年6月）
  • バージョン 1.2.1 (2016 年 6 月) では、バージョン 1.1b に比べて以下の新機能が導入されています。マルチキューにより複数の I/O キューがサポートされ、データ スループットとパフォーマンスが向上します。ネームスペース管理により、ネームスペースの動的な作成、削除、サイズ変更が可能になり、柔軟性が向上します。耐久性管理により、 SSD の摩耗レベルを監視および管理し、パフォーマンスを最適化してドライブの寿命を延ばします。^{[ 8 ]}
• 1.3（2017年5月）
  • 1.3a（2017年10月）
  • 1.3b（2018年5月）
  • 1.3セント（2018年5月）
  • 1.3d (2019 年 3 月) では、バージョン 1.2.1 以降、複数のホストが単一の名前空間にアクセスできるように名前空間共有機能が追加され、共有ストレージ環境が容易になり、ホストが名前空間を予約するメカニズムが提供され、競合が防止され、データの整合性が確保され、名前空間優先度機能が追加され、異なる名前空間の優先度レベルが設定され、重要なワークロードのパフォーマンスが最適化されたと報告されています。^{[ 9 ] [ 10 ]}
• 1.4（2019年6月）
  • 1.4a（2020年3月）
  • 1.4b（2020年9月）
  • 1.4c (2021 年 6 月) は、1.3d と比較して、以下の新機能を備えています。ワークロードを分離することで一貫したレイテンシとパフォーマンスを保証するIO 決定性、データの破損や不正な変更を防ぐための名前空間書き込み保護、イベント ログを不揮発性メモリに保存して診断やトラブルシューティングに役立つ永続イベント ログ、データの整合性をチェックするVerify コマンド。 ^{[ 11 ] [ 12 ]}
• 2.0（2021年5月）^{[ 13 ]}
  • 2.0a（2021年7月）
  • 2.0b（2022年1月）
  • 2.0c（2022年10月）
  • 2.0d (2024 年 1 月) ^{[ 14 ]}は、1.4c と比較して、効率的な書き込み操作のためにデータをゾーンに整理し、書き込み増幅を減らし、SSD の寿命を延ばすZoned Namespaces (ZNS)、従来のファイルシステムをバイパスして NVMe デバイスに直接キーと値のペアを効率的に保存および取得するKey Value (KV) 、耐久性に基づいて SSD のグループを管理し、使用を最適化して寿命を延ばすEndurance Group Managementを導入しています。^{[ 15 ] [ 14 ] [ 16 ]}
  • 2.0e（2024年7月）
• 2.1 (2024 年 8 月) ^{[ 17 ]}では、移行中にサービスの可用性を維持するためのLive Migration 、操作ごとに暗号化キーを適用するためのKey Per I/O 、通常のデータ パス外で NVMe デバイスを管理するためのNVMe-MI High Availability Out of Band Management 、およびネットワーク経由で NVMe デバイスを起動するためのNVMe Network Boot / UEFIが導入されています。^{[ 18 ]}
• 2.2（2025年3月）
• 2.3（2025年8月5日）

Intel SSD 750シリーズは、NVM Expressを採用したSSDで、PCI Express 3.0 x4拡張カードの形状をしています（前面図と背面図）。

歴史的に、ほとんどの SSD は、^{コンピュータ}システムの他の部分とのインターフェースにSATA [ ^{19 ]} SAS [ ^{20 ] [ 21 ]}やファイバーチャネルなどのバスを使用してい^ました。SSD が一般市場で入手可能になって以来、SATA はパーソナルコンピュータで SSD を接続する最も一般的な方法になりました。しかし、SATA は主に機械式ハードディスクドライブ(HDD)とのインターフェース用に設計されており、時間の経過とともに速度が向上した SSD にはますます不十分になりました。^{[ 22 ]}例えば、一般市場で主流になってから約 5 年 (2005 ～ 2010 年) 以内に、多くの SSD はすでにハードドライブで利用可能な比較的遅いデータレートによって制限されていました。ハードディスクドライブとは異なり、一部の SSD はSATA の最大スループットによって制限されます。

NVMe 以前にも、ハイエンド SSD はPCI Expressバスを使用して製造されていましたが、非標準仕様のインターフェースを使用しており、SAS から PCIe へのブリッジ^{[ 23 ]}を使用したり、ハードウェア RAID コントローラをエミュレートしたりしていました^{[ 24 ]} 。SSDのインターフェースを標準化することで、オペレーティングシステムは、仕様に準拠するすべての SSD と連携するために、共通のデバイス ドライバを 1 つだけ必要とします。また、各 SSD メーカーが特定のインターフェース ドライバを設計する必要がなくなります。これは、USB マス ストレージデバイスがUSBマス ストレージ デバイス クラス仕様に準拠して構築され、デバイスごとのドライバが不要で、すべてのコンピュータで動作するように設計されているのと同様です^{[ 25 ] 。}

NVM Express デバイスは、富岳スーパーコンピュータ、サミットスーパーコンピュータ、シエラスーパーコンピュータなど、多くの主要なスーパーコンピュータのバーストバッファストレージの構成要素としても使用されています。^{[ 26 ] [ 27 ]}

不揮発性メモリにアクセスするための新しい標準の最初の詳細が、Intel Developer Forum 2007で明らかになった。このとき、メモリ (フラッシュ) チップ側にOpen NAND Flash Interface Working Group (ONFI) を持つ提案されたアーキテクチャ設計のホスト側プロトコルとして NVMHCI が示された。 ^{[ 28 ]}その年、Intel が主導する NVMHCI ワーキンググループが結成された。NVMHCI 1.0 仕様は 2008 年 4 月に完成し、Intel の Web サイトで公開された。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

NVMe の技術作業は 2009 年後半に開始されました。^{[ 32 ]} NVMe 仕様は、90 社以上の企業で構成される NVM Express ワーキンググループによって開発されました。インテルのアンバー・ハフマン氏がワーキンググループの議長を務めました。仕様のバージョン 1.0 は 2011 年 3 月 1 日にリリースされ、^{[ 33 ]}バージョン 1.1 は 2012 年 10 月 11 日にリリースされました。^{[ 34 ]}バージョン 1.1 で追加された主な機能は、マルチパス I/O (名前空間共有付き) と任意の長さのスキャッターギャザーI/O です。今後の改訂では、名前空間管理が大幅に強化されると予想されています。^{[ 32 ]}機能に重点を置いているため、NVMe 1.1 は当初「エンタープライズ NVMHCI」と呼ばれていました。^{[ 35 ]} NVMe の基本仕様のアップデートであるバージョン 1.0e が 2013 年 1 月にリリースされました。^{[ 36 ]} 2011 年 6 月に、7 社が主導するプロモーター グループが結成されました。

市販されている最初の NVMe チップセットは、Integrated Device Technology (89HF16P04AG3 および 89HF32P08AG3) によって 2012 年 8 月に発売されました。 ^{[ 37 ] [ 38 ]}最初の NVMe ドライブであるSamsungの XS1715エンタープライズ ドライブは、2013 年 7 月に発表されました。Samsung によると、このドライブは 3  GB/s の読み取り速度をサポートしており、以前のエンタープライズ向け製品の 6 倍の速度でした。^{[ 39 ]} 2013 年 11 月に発売されたLSI SandForce SF3700 コントローラ ファミリーも NVMe をサポートしています。^{[ 40 ] [ 41 ]}このコントローラを使用したKingston HyperX の「プロシューマー」製品は、 Consumer Electronics Show 2014で展示され、同様のパフォーマンスが約束されていました。^{[ 42 ] [ 43 ]} 2014年6月、インテルは初のNVM Express製品であるインテルSSDデータセンターファミリーを発表しました。これはPCI Expressバスを介してホストとインターフェースし、DC P3700シリーズ、DC P3600シリーズ、DC P3500シリーズが含まれます。^{[ 44 ]} 2014年11月現在 NVMeドライブは市販されている。

2014年3月、同グループは法人化してNVM Express, Inc.となり、2014年11月現在 NVM Expressは、業界全体から65社以上の企業で構成されています。NVM Expressの仕様はNVM Express, Inc.が所有および維持しており、NVM Expressを業界標準として業界に普及させる活動も行っています。NVM Express, Inc.は、Cisco、Dell、EMC、HGST、Intel、Micron、Microsoft、NetApp、Oracle、PMC、Samsung、SanDisk、Seagateを含むプロモーターグループから選出された13名の取締役によって運営されています。^{[ 45 ]}

2016年9月、コンパクトフラッシュ協会は、NVMeを採用した新しいメモリーカード規格であるCFexpressをリリースすると発表した。

NVMe 仕様のバージョン 1.2 でNVMeホスト メモリ バッファ(HMB) 機能が追加されました。 ^{[ 46 ]} HMB により、SSD はホストのDRAMを使用できるため、DRAM のない SSD の I/O パフォーマンスを向上させることができます。^{[ 47 ]}例えば、HMB はSSD コントローラによってFTLテーブルをキャッシュすることができ、フラッシュ メモリへの書き込み中にデータを一時的に保持することができます。^{[ 48 ]} NVMe 2.0 では、オプションのZoned Namespaces (ZNS) 機能とKey-Value (KV) 機能が追加され、ハードディスク ドライブなどの回転メディアのサポートが追加されました。ZNS と KV により、データをフラッシュ メモリ内の物理的な場所に直接マッピングして、SSD 上のデータに直接アクセスできます。^{[ 49 ]} ZNS と KV は、フラッシュ メディアの書き込み増幅を減らすこともできます。

NVMeソリッドステートドライブには、AIC、U.2、U.3、M.2など、多くのフォームファクタが存在する。

M.2

一般的にコンシューマー向けシステムに搭載されている、最新の2280 NVMe SSD。

M.2は、以前は次世代フォームファクター（NGFF ）として知られており、M.2 NVMeソリッドステートドライブコンピュータバスを使用します。M.2コネクタを介して提供されるインターフェースは、PCI Express 3.0以上（最大4レーン）です。コネクタは、一般的なAICに比べて小型です。ほとんどのSSDは幅22mmで、30、42、60、80、110mmの範囲です。ただし、M.2規格では、幅12、16、22、30mm、長さ16、26、30、38、42、60、80、110mmが許可されています。^{[ 53 ]}

NVM Express over Fabrics ( NVMe-oF ) は、ネットワーク上のトランスポート プロトコルを使用してリモート NVMe デバイスを接続する概念です。これは、物理的な NVMe デバイスがPCIe バスに直接、またはPCIe スイッチを介してPCIe バスに接続される通常の NVMe とは異なります。2017 年 8 月、標準化団体である国際情報技術標準化委員会(ICITS) は、ファイバー チャネル(FC) 上で NVMe を使用するための標準を提出しました。この組み合わせは、FC-NVMe または NVMe/FC と呼ばれることがよくあります。^{[ 54 ]}

2021年5月現在、サポートされているNVMeトランスポートプロトコルは以下のとおりです。

• FC、FC-NVMe ^{[ 54 ] [ 55 ]}
• TCP、NVMe/TCP ^{[ 56 ]}
• Ethernet、RoCE v1/v2（RDMA over converged Ethernet）^{[ 57 ]}
• InfiniBand、NVMe over InfiniBand、またはNVMe/IB ^{[ 58 ]}

NVMe over Fabrics の標準は、2016 年に NVM Express, Inc. によって公開されました。^{[ 59 ] [ 60 ]}

以下のソフトウェアはNVMe-oFプロトコルを実装しています。

• Linux NVMe-oFイニシエータとターゲット。^{[ 61 ]} RoCE トランスポートは当初サポートされていましたが、Linux カーネル5.x で TCP のネイティブ サポートが追加されました。^{[ 62 ]}
• ストレージパフォーマンス開発キット（SPDK）NVMe-oFイニシエータおよびターゲットドライバ。^{[ 63 ]} RoCEとTCPトランスポートの両方がサポートされています。^{[ 64 ] [ 65 ]}
• StarWind NVMe-oF イニシエータ^{[ 66 ]}およびLinuxとMicrosoft Windowsのターゲットであり、RoCEとTCP、およびファイバーチャネルトランスポートの両方をサポートしています。^{[ 67 ]}
• Lightbits LabsのNVMe over TCPターゲット^{[ 68 ]}は、さまざまなLinuxディストリビューション^{[ 69 ]}およびパブリッククラウド向けです。
• Bloombase StoreSafeインテリジェントストレージファイアウォールは、透過的なストレージセキュリティ保護のために、RoCE、TCP、ファイバーチャネル、およびInfiniBand上のNVMeをサポートしています。
• NetApp ONTAPはTCP上のiSCSIおよびNVMeターゲットをサポートしています^{[ 70 ]}。
• SimplyblockストレージプラットフォームはNVMe over Fabricsをサポートしています。^{[ 71 ]}

アドバンスト・ホスト・コントローラ・インターフェース（AHCI）は、幅広いソフトウェア互換性という利点がありますが、PCI Expressバス経由で接続されたSSDと併用すると最適なパフォーマンスが得られないという欠点があります。論理デバイス・インターフェースであるAHCIは、システム内のホスト・バス・アダプタ（HBA）の目的が、CPU/メモリ・サブシステムを回転磁気メディアに基づくはるかに低速なストレージ・サブシステムに接続することであった時代に開発されました。その結果、AHCIは、回転メディアよりもRAMに近い動作をするSSDデバイスと併用すると、一定の非効率性をもたらします。^{[ 72 ]}

NVMeデバイスインターフェースは、PCI Express SSDの低レイテンシと並列性を活用し、最新のCPU、プラットフォーム、アプリケーションの並列性を補完するようにゼロから設計されています。大まかに言うと、NVMeがAHCIよりも優れている点は、ホストハードウェアとソフトウェアの並列性を活用できることであり、コマンドキューの深さ、割り込み処理の効率、キャッシュ不可能なレジスタアクセスの数などの差によって、さまざまなパフォーマンス向上につながります。^{[ 72 ] [ 73 ]： 17-18}

以下の表は、NVMeとAHCIの論理デバイスインターフェースの主な違いをまとめたものです。

ChromeOS

2015年2月24日、ChromeOSにNVM Expressデバイスからのブートのサポートが追加されました。^{[ 76 ] [ 77 ]}

DragonFly BSD

DragonFly BSDのNVMeサポート付きの最初のリリースはバージョン4.6です。 ^{[ 78 ]}

FreeBSD

Intel はFreeBSDの head および stable/9 ブランチ向けに NVM Express ドライバを後援しました。 ^{[ 79 ] [ 80 ]} nvd(4) および nvme(4) ドライバは、2015 年の FreeBSD バージョン 10.2 以降、デフォルトで GENERIC カーネル構成に含まれています。^{[ 81 ]}

ジェノデ

^{消費者向けNVMeのサポートは、18.05 [ 82 ]}リリースの一部としてGenodeフレームワークに追加されました。

俳句

Haikuは2019年4月18日にNVMeのサポートを獲得しました。^{[ 83 ] [ 84 ]}

イルモス

illumosは2014年10月15日にNVMeのサポートを受けました。^{[ 85 ]}

iOS

iPhone 6Sと6S Plusの発売により、Appleはスマートフォンで初めてPCIe経由のNVMeを導入しました。 ^{[ 86 ]} Appleはこれらの発売に続き、同じくPCIe経由のNVMeを使用する初代iPad Proと初代iPhone SEを発売しました。^{[ 87 ]}

Linux

Intel は2011 年 3 月 3 日にLinux用の NVM Express ドライバを公開しました。 ^{[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]}これは 2012 年 1 月 18 日にLinux カーネルのメインラインにマージされ、2012 年 3 月 19 日に Linux カーネルのバージョン 3.3 の一部としてリリースされました。^{[ 91 ]} Linux カーネルはバージョン 4.13.1 からNVMe ホスト メモリ バッファ^{[ 92 ]}をサポートし、デフォルトの最大サイズは 128 MB です。^{[ 93 ] [ 94 ]} Linux カーネルはバージョン 5.9 から NVMe ゾーン 名前空間をサポートしています。 

macOS

AppleはYosemite 10.10.3でNVM Expressのソフトウェアサポートを導入しました。NVMeハードウェアインターフェイスは2016年のMacBookとMacBook Proで導入されました。^{[ 95 ]}

NetBSD

NetBSD はNetBSD 8.0 で NVMe のサポートを追加しました。^{[ 96 ]}この実装は OpenBSD 6.0 から派生しています。

OpenBSD

OpenBSDで NVMe をサポートするために必要な開発作業は、以前USB 2.0およびAHCIサポートを担当していた上級開発者によって 2014 年 4 月に開始されました。^{[ 97 ]} NVMe のサポートは OpenBSD 6.0 リリースで有効になりました 。^{[ 98 ]}

OS/2

Arca Noaeは、2021年4月現在、 ArcaOS用のNVMeドライバを提供しています。このドライバは、高度な割り込みモード（モード2）で動作するACPI PSDによって提供される高度な割り込みを必要とするため、SMPカーネルも必要です。^{[ 99 ]}

ソラリス

Oracle Solaris 11.2でSolarisはNVMeのサポートを受けました。^{[ 100 ]}

VMware

IntelはVMware向けにNVMeドライバを提供しており^{[ 101 ]}、これはvSphere 6.0以降のビルドに含まれており、さまざまなNVMeデバイスをサポートしています^{[ 102 ]}。vSphere 6アップデート1以降、VMwareのVSANソフトウェア定義ストレージサブシステムもNVMeデバイスをサポートしています^{[ 103 ] 。}

Windows

Microsoft はWindows 8.1およびWindows Server 2012 R2に NVMe の組み込みサポートを追加しましたが、^{[ 73 ] [ 104 ]} NVMe から SCSI への変換レイヤーを介して実装されています。^{[ 105 ]} Windows 7およびWindows Server 2008 R2用の NVMe ドライバーはアップデートで追加されています。^{[ 106 ]}多くのベンダーも、自社デバイス用の独自の Windows ドライバーをリリースしています。また、Samsung NVMe ドライバーを Samsung 以外の NVMe デバイスで使用するなど、特定のベンダーのドライバーを任意の NVMe カードにインストールするための手動でカスタマイズされたインストーラ ファイルも利用可能で、追加機能、パフォーマンス、および安定性のために必要になる場合があります。^{[ 107 ]}

NVMe HMB のサポートは、2016 年の Windows 10 Anniversary Update (バージョン 1607) で追加されました。^{[ 46 ]} Microsoft Windows では、Windows 10 1607からWindows 11 23H2まで、最大 HMB サイズは 64 MB です。Windows 11 24H2 では、最大 HMB サイズがシステム RAM の 1/64 に更新されます。^{[ 108 ]}

NVMe ZNS および KV のサポートは、 2021 年にWindows 10 バージョン 21H2およびWindows 11で追加されました。^{[ 109 ]} OpenFabrics Alliance は、NVMe ワーキンググループの複数のプロモーター企業、具体的には IDT、Intel、および LSI から提出されたベースライン コードから開発された、Windows 7/8/8.1 および Windows Server 2008R2/2012/2012R2 用のオープンソース NVMe Windows ドライバーを維持しています。^{[ 110 ]}現在のリリースは、2016 年 12 月の 1.5 です。^{[ 111 ]} 2025 年より前の Windows 8.1、Windows 10、および Windows Server リリースに組み込まれている Windows NVMe ドライバーは、ハードウェア アクセラレーションを提供しない古い SCSI ベースのストレージ スタックに依存しており、ベンダー固有のドライバーが必要です。^{[ 112 ]} Windows Server 2025のネイティブ NVMe サポートは2025 年 12 月 15 日に追加されましたが、隠しレジストリ設定で有効にする必要があります。^{[ 113 ]}コンシューマー向け Windows エディションでは、まだ非公式に利用可能です。^{[ 114 ]}

古いWindows NT ^{[ 115 ]}およびWindows 9x ^{[ 116 ]用の非公式ドライバが存在する。}

QEMU

NVMeは、 2013年8月15日にリリースされたバージョン1.6以降、QEMUでサポートされています。^{[ 117 ]} QEMUゲストに提示されるNVMeデバイスは、実機でもエミュレートされたものでも構いません。

UEFI

UEFI用のオープンソース NVMe ドライバである NvmExpressDxe は、UEFI のオープンソース リファレンス実装である EDKII の一部として利用可能です。^{[ 118 ]}

• M.2
• PCI Express
• SATA Express
• ソリッドステートドライブ
• ユニバーサルフラッシュストレージ（UFS）

• NVM Expressの仕様
• コンパクトフラッシュ協会
• LFCS: Linuxを不揮発性メモリデバイスに対応させる準備、LWN.net、2013年4月19日、Jonathan Corbet著
• PCI  Expressストレージのマルチパス化、Linux Foundation、2015年3月12日、Keith Busch著
• ネットワークエンジニアのためのNVMe、NVMe-oF、およびRDMA、2020年8月、ジェローム・ティシエール著