什么是 NVMe？

NVMe SSD  较传统 机械硬盘  (HDD)  能提供更快的响应速度，这得益于其设备驱动程序支持并行处理与轮询机制。这些改进有助于降低延迟，使其成为企业 工作负载 及消费级与专业应用的理想选择。这种多功能性使其广泛应用于游戏、移动技术、电子商务、金融及医疗平台等众多行业。

当前市场对可扩展高性能存储解决方案的需求持续增长。根据 Research and Markets 报告，2024 年全球 NVMe 市场规模达 2,120 亿美元。预计到 2030 年将增长至 8,889 亿美元，2024-2030 年间年复合增长率 (CAGR) 达 27%。¹

人工智能 (AI)、大数据分析和物联网 (IoT) 应用程序正驱动着这一市场扩张，NVMe 及其他技术为这些工作负载提供了所需的传输速度与处理效率。

NVMe 于 2008 年至 2011 年间研发问世，旨在取代串行高级技术附件  (SATA) 与串行连接  SCSI  协议。 NVMe 相对于竞品的显著改进，使其已成为高速存储领域的行业标准。

如今，用户要求应用程序能够比以往任何时候都更快响应。无论用户部署哪种类型的应用程序， NVMe 协议 都旨在提供 下一代 高性能、高带宽 和 低延迟 体验。

NVMe  SSD 主要通过外围组件互联高速 (PCIe) 总线 访问闪存，这种方式消除了“中间层”控制器。但 NVMe 也能在任何类型的“架构”互连 (NVMe-oF) 上运行——例如光纤通道与以太网；在以太网环境中则可支持 iWarp、RoCEv2、iSER 及 NVMe-TCP 等协议。

NVMe SSD 可运行 数万个并行 命令队列。其程序运行速度也远高于采用 SCSI 协议（仅支持单 命令队列）的驱动器。 连接方式独立于协议。例如，采用 NVMe 协议的 PCIe 固态硬盘可通过 PCIe 链路连接单个驱动器。

NVMe  专为 高性能非易失性存储介质设计，特别适合图形编辑软件、云计算环境、 固件及大型数据库 等当今高要求的计算密集型场景。相较于  SCSI，NVMe  能以更精简的基础设施和更低能耗，高效处理企业级 工作负载 。

非易失性内存主机控制器接口规范 (NVMe) 与固态硬盘 (SSD) 常被用于描述两种不同类型的驱动器。但实为可相互增强的异构数据存储技术。 

SSD 是基于半导体的 存储设备 ，依靠 闪存在计算机系统中存储持久数据。在  SSD 中，每个内存芯片均由包含单元（也称为页或扇区）的块构建而成，而内存单元又包含内存位。与 HDD 和软盘驱动器等通过磁体存储数据的磁存储技术不同，SSD 采用 NAND 芯片。这种非易失性存储技术无需电力即可保持数据。

所有 NVMe 设备都属于 SSD。但并非所有 SSD 都采用 PCIe 技术；部分 SSD 仍使用最初为 HDD 设计的传统 SATA 与 SAS 接口。

要了解更多信息，请查阅 SSD 与 NVMe 对比：有何区别？

在机械硬盘 (HDD) 作为行业主流存储方案的时代， SATA  与  SAS 曾是适宜的解决方案。SATA（串行进阶版科技附件）设计用于连接采用 ATA 协议的存储设备，而 SAS 则是基于 SCSI（串行连接 SCSI）的接口标准。两者均针对 HDD 的机械特性进行了优化。

直到最近，大多数  SSD  都使用  SAS  或  SATA  与计算机系统的其余部分连接。然而随着固态技术在全存储行业的崛起，专为  HDD 设计的  SAS  与  SATA  逐渐显得不匹配。

最终，专门为 SSD 设计的 NVMe 协议应运而生，其协议比 SCSI 更为精简高效，使之成为机器学习 (ML) 与 AI 等实时应用的更优解决方案。

随着 云计算日益普及， NVMe  凭借其内置的 高性能 与数据保护特性，能够支持 混合云、 多云及大型机存储环境。

NVMe （非易失性内存主机控制器接口规范）的发明旨在为需要 大数据传输 且不降低处理速度的  SSD  环境，提供优于  SATA  的 数据存储与传输方案。 

NVMe  使  SSD  能够使用  PCIe  总线和 M.2 或 U.2  适配器直接连接到  CPU ，这一点与 SATA 驱动器相同。 NVMe  允许  SSD  通过 PCIe 接口直连  CPU ，实现高速读写海量数据。

为了实现更高的性能， NVMe  为 基于 PCIe 的 SSD 定义了寄存器接口、命令集和功能组。通过  PCIe  总线连接后， NVMe 协议 可降低延迟并有助于 优化 每秒 I/O 操作数 (IOPS)。当前 NVMe 驱动器采用 PCIe 4.0 或 5.0 标准以实现极致性能。

NVMe  驱动程序支持多种常见的操作系统 (OS)，包括  Windows、Linux 和 macOS。最终， NVMe 协议 支持所有类型的 NVM，包括支持  NAND  闪存的  SSD。 同时， NVMe 采用 并行命令队列和“轮询循环”机制，而非其前代产品基于"中断"的设备驱动程序。这种方法降低了延迟与系统开销，有助于 避免  CPU  瓶颈并提升整体吞吐量。

 NVMe 规范 的另一个重要区别在于 外形尺寸，或者说尺寸、配置和物理设计对与其他设备 兼容性 的影响程度。2020 年，存储网络行业协会 (SNIA) 召开会议，建立了企业和 数据中心 标准 外形尺寸  (EDSFF)，为  SSD  技术创建一个商定的行业级框架。

商定的  SSD  标准 外形尺寸 为 2.5 英寸，可轻松装入大多数 笔记本电脑 和台式机的驱动器托架，使  NVMe SSD  与现有技术高度兼容。由于 2.5 英寸驱动器广泛用于消费和商业计算环境，因此对于希望升级系统性能的用户来说，用  NVMeSDD 替换  HDD  非常简单直接。

M.2 作为 SSD 比较广泛采用的外形规格之一，是一种物理连接器标准。虽然该术语常在与  NVMe 驱动器的讨论中出现，但此处的 NVMe 指的是物理外形规格而非协议本身。

NVMe SSD  可接入 系统主板的 PCIe 插槽以获得较好的性能。而 M.2 作为一种紧凑型外形规格，能在笔记本电脑 和平板电脑等轻薄设备中实现 高性能 存储。

有关 NVMe 和 M.2 的更深入说明，请阅读：NVMe 与 M.2 对比：有何区别？

动态随机存取存储器 (DRAM) 是个人计算机 (PC)、服务器和工作站所依赖的一种广泛使用的随机存取存储器 (RAM)。 NVMe SSD  有  DRAM  和 无 DRAM 两种。 

 具有  DRAM  的 NVMe SSD 比无  DRAM 的 SSD 更昂贵且速度更快，对于照片或视频编辑软件等图形密集型应用程序来说，它们是更好的选择。 无 DRAM 的  NVMe  SSD 价格更亲民但速度较慢，不过仍远快于  HDD  或  SATA  SSD。这些特性使其成为对运行应用程序速度要求不高的用户的理想选择。

NVMe-oF（基于架构的非易失性内存主机控制器接口规范）是一种通过网络架构连接主机与共享存储的协议规范（例如以太网、光纤通道、RDMA），可实现高速低延迟通信。

虽然标准 NVMe 通过 PCIe 直接连接单驱动器与单主机，而基于架构的 NVMe 服务器能在网络环境中实现更广泛的覆盖。NVMe-oF 并未取代 NVMe，而是通过支持网络附加共享存储发挥 NVMe 性能，形成互补关系。

 相较于  SAS  或  SATA  SSD，NVMe 存储具备以下突出优势：

• 性能卓越： NVMe 可 通过  PCIe  将  SSD  存储直接连接至服务器或中央处理器 (CPU)。这种性能的显著提升使其成为 游戏玩家、视频编辑者等需要超越  SAS  或  SATA  HDD  性能用户的 优选 数据存储与传输方案。

• 速度更快： NVMe 驱动器 可以提供比  SAS  或  SATA  驱动器更快的速度，因为它们可以更快地发送和接收  NVMe 命令 并提供更好的吞吐量。

• 兼容性 强： NVMe  在性能上显著优于 SAS/SATA ，且持续更新以支持人工智能、机器学习与云计算等快速发展的关键技术。 现代操作系统 (OS)（包括移动平台）均提供支持，并广泛应 用于笔记本电脑 与游戏主机。

• 带宽优势：  PCIe 连接比 SAS 或 SATA 端口更宽且带宽更高，并随代际演进持续提升（每代带宽翻倍）。SAS 与 SATA 带宽较低且固定不变，无法随时间改进。PCIe 连接的另一突出特性是其可按“通道数”灵活扩展——即使同代产品中，用户亦可通过倍增通道数实现带宽翻番。 深入了解可查阅《NVMe 与 SATA 对比：有何区别？》。

NVMe 的 低延迟、高能效以及超越  SAS  和  SATA  硬盘的数据存储传输速度，使其成为商业与消费领域的强劲选择。除了提升性能与 数据存储容量， NVMe SSD  比  SAS  或  SATA  SSD  更普及，英特尔 和 三星等消费级企业均有供应。

以下是  NVMe  的常见应用场景。

NVMe 的高速度、可编程性及并行处理能力， 使之成为高频交易、AI 与 ML 等 高性能计算 (HPC) 应用程序的 理想选择。

许多尖端应用程序需要较大的队列深度进行存储。相较于前代  SAS/SATA  技术， NVMe  可支持高达 6.5 万个队列且每队列容纳相应命令数，实现远超以往的并行命令处理能力。 

NVMe SSD  帮助 数据中心 扩展 数据存储容量 ，并以与  SATA SSD 相当的价格提供更高的性能，因此促使许多现代企业做出转变。

根据 Enterprise Strategy Group 的报告，近四分之三的组织正在使用 基于 NVMe  的 SSD 存储或计划在 未来  12 个月内进行部署。²

无论是编辑家庭聚会视频还是制作动画电影， NVMe 更快的 数据传输 速率都能显著加速视频处理流程。简而言之，在视频编辑软件中编辑和渲染场景会产生 大量 数据。 NVMe SSD  可以处理所有这些数据，而不会减慢处理速度。

在容器化 开发运维应用程序中部署  NVMe  缩短了许多开发人员的大型构建时间并加快了编码迭代。 

NVMe  也使得开发工作更快速、成本更低廉，帮助团队利用更丰富的可用工具更快地启动应用程序。

基于 NVMe 的系统能加速应用程序性能，并减少关系型数据库所需的物理服务器数量，使组织能够以更低的基础设施成本更高效地处理查询请求。

在 VMware、虚拟桌面基础设施 (VDI) 等虚拟化环境中，NVMe 可降低存储延迟，并消除多台虚拟机 (VM) 争夺存储资源时产生的输入/输出瓶颈。

此外，NVMe 支持同时处理数千条命令，使服务器能在保持速度与可靠性的前提下支持更多 VM。

高速 NVMe SSD 通过快速访问大型数据集，加速 ML 与 AI 模型 的训练进程。这为需要实时决策的人工智能驱动的医疗诊断与金融建模等工作负载提供了自然语言处理 (NLP) 与预测性分析。