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| 不揮発性メモリホストコントローラインターフェース仕様 | |
 | |
| 略語 | NVMe |
|---|---|
| 状態 | 公開済み |
| 開始年 | 2011年 |
| 最新バージョン | 2.1 2024年8月5日[1] |
| 組織 | NVM Express, Inc. (2014 年以降) NVM Express ワーク グループ (2014 年以前) |
| Webサイト | 出典: |
NVM Express ( NVMe ) または不揮発性メモリホストコントローラインタフェース仕様( 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フェース仕様です。頭文字の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、いくつかの物理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フェースとしての 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。[2]
アーキテクチャ的には、NVMeのロジックは、通常はSSDであるストレージメディアと物理的に共存するNVMeコントローラチップ内に物理的に保存され、実行されます。NVMeのバージョン変更（1.3から1.4など）はストレージメディア内に組み込まれており、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。[3]
NVM Express は、その設計により、ホストの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フル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短縮など、以前の論理デバイス インターフェイスに比べてさまざまなパフォーマンスの向上をもたらします。AHCI などの以前のインターフェイス プロトコルは、はるかに低速のハード ディスク ドライブ(HDD)で使用するために開発されました。HDD では、要求とデータ転送の間に非常に長い遅延 (CPU 操作に比べて) があり、データ速度が RAM 速度よりもはるかに遅く、ディスクの回転とシーク時間によってさらなる最適化要件が発生します。
NVM Expressデバイスは、主に標準サイズのPCI Express拡張カード[4]と、 U.2コネクタ（旧称SFF-8639）を介して4レーンのPCI Expressインターフェイスを提供する2.5インチフォームファクタデバイスとして提供されています。 [5] [6]論理デバイスインターフェイスとしてNVM ExpressをサポートするSATA ExpressとM.2仕様を使用するストレージデバイスは、NVMeの一般的な使用例であり、サーバー、デスクトップ、ラップトップのソリッドステートストレージの主流となっています。[7] [8]
仕様
現在までに発表されたNVMeの仕様は以下の通りである: [9]
- 1.0e (2013 年 1 月)
- 1.1b（2014年7月）では、異なるNVMeデバイス間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NVMeコマンドがさまざまな物理インターフェイスを介して転送される方法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。[10]
- 1.2 (2014年11月)
- 1.2a (2015年10月)
- 1.2b (2016年6月)
- 1.2.1（2016年6月）では、バージョン1.1bに対して以下の新機能が導入されました：複数のI/Oキューをサポートし、データスループットとパフォーマンスを向上させるマルチキュー、名前空間の動的な作成、削除、サイズ変更を可能にして柔軟性を高める名前空間管理、および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す耐久性管理。[11]
- 1.3 (2017 年 5 月)
- 1.3a (2017年10月)
- 1.3b (2018年5月)
- 1.3c (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して共有ストレージ環境を容易にする名前空間共有、ホストが名前空間を予約するメカニズムを提供して競合を防ぎデータの整合性を確保する名前空間予約、異なる名前空間に優先順位を設定して重要なワークロードのパフォーマンスを最適化する名前空間優先順位が追加されました。[12] [13]
- 1.4 (2019年6月)
- 1.4a (2020年3月)
- 1.4b (2020年9月)
- 1.4c（2021年6月）には、1.3dと比較して次の新機能があります：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確保するIO決定論、データの破損や不正な変更を防ぐ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とトラブルシューティングを支援する永続イベントログ、データの整合性をチェックする検証コマンド。 [14] [15]
- 2.0（2021年5月）[16]
- 2.0a (2021年7月)
- 2.0b (2022年1月)
- 2.0c (2022年10月)
- 2.0d（2024年1月）[17]では、1.4cと比較して、データをゾーンに整理して書き込み操作を効率化し、書き込み増幅を減らしてSSDの寿命を延ばすゾーン名前空間（ZNS） 、従来のファイルシステムをバイパスしてNVMeデバイス上で直接キーと値のペアを効率的に保存および取得するためのキー値（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耐久性グループ管理が導入されています。 [18] [17] [19]
- 2.1（2024年8月）[1]では、移行中のサービス可用性を維持するためのライブマイグレーション、操作レベルで暗号化キーを適用するためのキーパーIO 、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高可用性アウトオブバンド管理、ネットワーク経由でNVMeデバイスを起動するためのNVMeネットワークブート/UEFIが導入されています。[20]
背景
Intel SSD 750 シリーズ、NVM Express を使用する SSD、PCI Express 3.0 ×4拡張カードの形式(前面と背面図)
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イスにSATA、SAS、またはファイバーチャネルなどのバスを使用していました。SSD がマスマーケットで利用できるようになって以来、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)とのインターフェイス用に設計されたため、時間の経過とともに速度が向上した SSD には次第に不十分になってきました。[21]たとえば、マスマーケットで主流に採用されてから約 5 年 (2005 ～ 2010 年) 以内に、多くの SSD はハードドライブで利用できる比較的遅いデータレートによってすでに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以前からハイエンド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たり、ハードウェアRAIDコントローラーをエミュレートしたりしていました。[22] 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、仕様に準拠したすべてのSSDで動作するために、 1つの共通デバイスドライバーのみを必要とします。また、各SSDメーカーが特定のインターフェースドライバーを設計する必要もありません。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、すべてのコンピューターで動作するように構築され、デバイスごとのドライバーが不要であるのと似ています。[23]
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。 [24] [25]
歴史
不揮発性メモリにアクセスするための新しい標準規格の最初の詳細は、2007年のインテル開発者フォーラムで明らかになりました。このフォーラムでは、メモリ（フラッシュ）チップ側にOpen NAND Flash Interface Working Group (ONFI) がある提案アーキテクチャ設計のホスト側プロトコルとして NVMHCI が示されました。 [26]その年に、インテルが主導する NVMHCI ワーキンググループが結成されました。NVMHCI 1.0 仕様は 2008 年 4 月に完成し、インテルの Web サイトで公開されました。[27] [28] [29]
NVMeの技術作業は2009年後半に開始されました。[ 30] NVMe仕様は、90社以上の企業で構成されるNVM Express Workgroupによって開発されました。IntelのAmber Huffman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、[31]仕様のバージョン1.1は2012年10月11日にリリースされました。[32]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（名前空間の共有を含む）と任意長のスキャッターギャザーI/Oです。将来の改訂では、名前空間の管理が大幅に強化されることが期待されています。[30]機能に重点が置かれているため、NVMe 1.1は当初「エンタープライズNVMHCI」と呼ばれていました。[33] NVMeの基本仕様の更新版であるバージョン1.0eが2013年1月にリリースされました。[34] 2011年6月、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。
最初の市販のNVMeチップセットは、Integrated Device Technology（89HF16P04AG3および89HF32P08AG3）によって2012年8月にリリースされました。 [35] [36]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3GB/秒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製品の6倍の速度でした。[37] 2013年11月にリリースされたLSI SandForce SF3700コントローラーファミリーもNVMeをサポートしています。[38] [39]このコントローラーを使用したKingston HyperX 「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を約束しました。[40] [41] 2014年6月、Intelは初のNVM Express製品である、PCI Expressバスを介してホストとインターフェースするIntel SSDデータセンターファミリーを発表しました。これにはDC P3700シリーズ、DC P3600シリーズ、DC P3500シリーズが含まれます。[42] 2014年11月現在[アップデート]、NVMeドライブは市販されています。
2014年3月、このグループは法人化され、NVM Express, Inc. となり、2014年11月現在、[アップデート]業界全体から65社以上が参加している。NVM Expressの仕様はNVM Express, Inc. が所有、管理しており、同社はNVM Expressを業界標準として認知させる活動も行っている。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名の取締役会によって運営されている。[43]
2016 年 9 月、CompactFlash Association は、NVMe を使用する新しいメモリ カード仕様CFexpress をリリースすると発表しました。[引用が必要]
NVMeホストメモリバッファ（HMB）機能は、NVMe仕様のバージョン1.2で追加されました。[44] HMBにより、SSDはホストのDRAMを利用できるようになり、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。[45]たとえば、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ために使用でき、I/Oパフォーマンスを向上させることができます。 [46] NVMe 2.0では、オプションのゾーン名前空間（ZNS）機能とキー値（KV）機能、およびハード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。[47] 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。
フォームファクター
NVMe ソリッド ステート ドライブには、AIC、U.2、U.3、M.2 など、さまざまなフォーム ファクターがあります。
AIC（アドインカード）
初期の NVMe ソリッド ステート ドライブのほとんどは、 PCIe 2.0 または 3.0 インターフェイスを備えた HHHL (ハーフ ハイト、ハーフ レングス) または FHHL (フル ハイト、ハーフ レングス) AIC です。HHHL NVMe ソリッド ステート ドライブ カードは、サーバーの PCIe スロットに簡単に挿入できます。
SATA Express、U.2 および U.3 (SFF-8639)
SATA Express では、同じホスト側 SATA Express コネクタを介して 2 つの PCI Express 2.0 または 3.0 レーンと 2 つの SATA 3.0 (6 Gbit/s) ポートを使用できます (ただし、両方を同時に使用することはできません)。SATA Express は、接続された PCI Express ストレージ デバイスの論理デバイス インターフェイスとして NVMe をサポートします。電気的にはMultiLink SASと互換性があるため、バックプレーンは両方を同時にサポートできます。
U.2（旧称SFF-8639）はSATA Expressと同じ物理ポートを使用しますが、最大4つのPCI Expressレーンを使用できます。利用可能なサーバーは最大48個のU.2 NVMeソリッドステートドライブを組み合わせることができます。[48]
U.3 (SFF-TA-1001) は U.2 仕様に基づいて構築されており、同じ SFF-8639 コネクタを使用します。U.2 とは異なり、単一の「トライモード」(PCIe/SATA/SAS) バックプレーン レセプタクルで 3 種類の接続すべてを処理できます。コントローラは、使用されている接続の種類を自動的に検出します。これは、SATA/SAS と NVMe に別々のコントローラを使用する必要がある U.2 とは異なります。U.3 デバイスは、U.2 ホストとの下位互換性が必要です。U.2 デバイスは、U.3 ホストで使用できます。[49]
M.2
M.2 は、以前は次世代フォーム ファクタ( NGFF ) と呼ばれていましたが、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 コネクタを通じて提供されるインターフェイスは、PCI Express 3.0以上 (最大 4レーン) です。
ヨーロッパ
NVMe-oF
NVM Express over Fabrics ( NVMe-oF ) は、物理的な NVMe デバイスがPCIe バスに直接接続されるか、PCIeスイッチを介して PCIe バスに接続される通常の NVMe とは対照的に、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の NVMe デバイスを接続するという概念です。2017 年 8 月、標準化団体である国際情報技術標準委員会(ICITS) によって、ファイバー チャネル(FC) 上で NVMe を使用するための標準が提出され、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。[50]
2021 年 5 月現在、サポートされている NVMe トランスポート プロトコルは次のとおりです。
- FC、FC-NVMe [50] [51]
- TCP、NVMe/TCP [52]
- イーサネット、RoCE v1/v2（RDMA over統合イーサネット）[53]
- InfiniBand、NVMe over InfiniBandまたはNVMe/IB [54]
NVMe over Fabricsの標準は、2016年にNVM Express, Inc.によって公開されました。[55] [56]
次のソフトウェアは NVMe-oF プロトコルを実装します。
- Linux NVMe-oFイニシエーターとターゲット。[57] 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ではTCPのネイティブサポートが追加されました。[58]
- ストレージパフォーマンス開発キット（SPDK）NVMe-oFイニシエーターおよびターゲットドライバー。[59] RoCEとTCPトランスポートの両方がサポートされています。[60] [61]
- StarWind NVMe-oFイニシエーター[62]およびLinuxおよび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。[63]
- さまざまなLinuxディストリビューション[65]およびパブリッククラウド向けのLightbits Labs NVMe over TCPターゲット[64] 。
- 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NVMe over RoCE、TCP、およびファイバー チャネルをサポートします。
AHCIとの比較
AHCI ( Advanced Host Controller Interface ) には幅広いソフトウェア互換性という利点があるが、PCI Expressバス経由で接続されたSSDで使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る。論理デバイス インターフェイスとして、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るときに開発されました。その結果、AHCI は、回転メディアというよりRAMのように動作する SSD デバイスで使用すると、特定の非効率性をもたらします。[7]
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処理性を活用し、現代のCPU、プラットフォーム、アプリケーションの並列処理を補完するようにゼロから設計されています。高レベルでは、AHCIに対するNVMeの基本的な利点は、ホストハードウェアとソフトウェアの並列処理を活用する能力に関連しており、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違いとして現れ、さまざまなパフォーマンスの向上をもたらします。[7] [66] : 17–18
以下の表は、NVMe と AHCI 論理デバイス インターフェイス間の大まかな違いをまとめたものです。
オペレーティングシステムのサポート
- Chrome OS について
- 2015年2月24日、ChromeOSにNVM Expressデバイスからの起動のサポートが追加されました。[69] [70]
- ドラゴンフライBSD
- NVMeをサポートするDragonFly BSDの最初のリリースはバージョン4.6です。 [71]
- フリーBSD
- IntelはFreeBSDのヘッドおよびstable/9ブランチ用のNVM Expressドライバをスポンサーしました。 [72] [73] 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。[74]
- ジェノデ
- 消費者向けNVMeのサポートは、18.05 [75]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。
- iOS
- iPhone 6Sと6S Plusの発売により、AppleはスマートフォンでNVMe over PCIeの初のモバイル展開を導入した。 [79] Appleはこれに続き、同じくNVMe over PCIeを採用した第1世代iPad Proと第1世代iPhone SEを発売した。[80]
- リナックス
- Intelは2011年3月3日にLinux用のNVM Expressドライバを公開し、[81] [82] [83]これは2012年1月18日にLinuxカーネルメインラインに統合され、2012年3月19日にLinuxカーネルバージョン3.3の一部としてリリースされました。[84] Linuxカーネルはバージョン4.13.1 [86]からNVMeホストメモリバッファ[85]をサポートし、デフォルトの最大サイズは128 MBです。[87] 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ースは2016年のMacBookとMacBook Proで導入されました。[88]
- オープンBSD
- 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とAHCIの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。 [90] NVMeのサポートはOpenBSD 6.0リリースで有効になりました。[91]
- OS/2
- Arca Noaeは、2021年4月現在、 ArcaOS用のNVMeドライバーを提供しています。このドライバーは、高度な割り込みモード（モード2）で実行される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。[92]
- ソラリス
- SolarisはOracle Solaris 11.2でNVMeのサポートを受けました。[93]
- ヴイエムウェア
- IntelはVMware用のNVMeドライバを提供しており[94]、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。 [95] 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。[96]
- ウィンドウズ
- マイクロソフトは、 Windows 8.1とWindows Server 2012 R2にNVMeのネイティブサポートを追加しました。[66] [97] Windows 7とWindows Server 2008 R2のネイティブドライバーが更新プログラムで追加されました。[98]多くのベンダーも、自社のデバイス用に独自の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ーファイルもあり、追加機能、パフォーマンス、安定性のために必要になる場合があります。[99]
- 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。[44] 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に更新されました。[100]
- NVMe ZNSとKVのサポートは、2021年にWindows 10バージョン21H2とWindows 11で追加されました。 [101] OpenFabrics Allianceは、NVMeワークグループの複数のプロモーター企業、具体的にはIDT、Intel、LSIによって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ドライバーを管理しています。[102]現在のリリースは2016年12月の1.5です。[103]
ソフトウェアサポート
- クエム
- 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。 [104] QEMUゲストに提示されるNVMeデバイスは、実際のものでもエミュレートされたものでもかまいません。
- UEFI
- NvmExpressDxeと呼ばれるUEFI用のオープンソースNVMeドライバーは、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。[105]
管理ツール
nvme-cliLinuxの場合nvmeコントロール
このnvmecontrolツールはFreeBSDのコマンドラインからNVMeディスクを制御するために使用されます。FreeBSD 9.2で追加されました。[106]
nvme-cli
Linux用のNVM-Expressユーザー空間ツール。[107]
参照
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、 NVM Expressに関連するメディアがあります。
- 公式サイト
- コンパクトフラッシュ協会
- LFCS: 不揮発性メモリデバイス向けの Linux の準備、LWN.net、2013 年 4 月 19 日、Jonathan Corbet 著
- マルチパス PCI Express ストレージ、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、RDMA、2020 年 8 月、Jerome Tissieres 著