M.2 SSD 制式‧效能大革新!NVMe 1.4 標準最終定案

| Ricky | 05-07-2019 21:11 | |

主導 M.2 資料傳輸速度的 NVMe 訊號制式,採用 NVMe 1.3 版本不久,官方已規劃全新 NVMe 1.4 版本,針對 NVMe 1.3 不足而作出重大改良。改良項目主要有 3 項:令資料能同步雙向傳輸、縮短延遲、更有效分工存取,讓新世代 M.2 (PCI-E 4.0 x4) 規格 SSD,效能邁向 8GB/s 理論值!

各通道獨立存取

NVM 全稱 Non-Volatile Memory (非揮發性記憶體),指即使關掉電源,仍能保存資料的儲存媒體。所有 SSD 產品,正是由這類快閃記憶體構成,類型包括:SLC、MLC、TLC、3D TLC、QLC 等。為求 SSD 發揮出最高效能,13 家主要廠商共同建立 NVM Express Promoter Group 組織,負責推動 NVMe (NVM Express) 訊號制式。最近 2 年推出的新款 M.2 SSD (或控制器),已陸續使用 NVMe 1.3,組織更會於今年推出 1.4 新版。

NVMe 1.4 三項重大改良,包括:NVM Sets、PLM (Predictable Latency Mode) 及 RRL (Read Recovery Level)。NVM Sets 改良分工機制,舉例 1 部 4TB SSD (內部 4 通道傳輸),但 NVMe 1.3 只看成「單一 4TB」空間,只將資料隨意寫入 4TB 任何區域,導致各通道互相擠塞。但憑 NVMe 1.4 的 NVM Sets 新指令,4TB 將劃分為「4 個 1TB」空間,每條通道只獨立存取 1 個 1TB 空間。NVM Sets 有效縮短延遲時間,兼減少刷寫損耗。

舉例 4TB SSD,NVM Sets (右) 將按照通道數量而分開 4 個 1TB 區域,各通道獨立存取。

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修復優先次序機制

PLM 將存取動作劃分為 DTWIN (Deterministic Window) 及 NDWIN (Non-Deterministic Window) 兩種時間窗口。DTWIN 時間窗口內是針對高負載而設,為 SSD 讀寫指令提供 Deterministic Latency,容許 SSD 將資料存放在 DRAM 緩存,待負載降後,才將資料寫入至快閃記憶體。NDWIN 時間窗口則是針對低負載而設,毋須提供 Deterministic Latency,容許 SSD 將大容量資料即時寫入至快閃記憶體;或 NDWIN 時間窗口,容許 SSD 執行內部的必須整理動作,例如:Level Wearing、Garbage Cleaning 等殘餘資料清理動作。

RRL 與改善 SSD 壽命息息相關,新款 M.2 SSD 採用 3D TLC 及 QLC 快閃記憶體,惟所需電壓變化較多,在讀取過程中必然出現讀取錯誤,SSD 控制器需花時間進行 Data Recovery。NVMe 1.4 設立「Read Recovery Level Config」(RRLC) 優先次序機制,範圍由 0 至 15;RRLC 數值愈低,SSD 會優先進行資料讀取修正動作,但提高存取延遲時間,略降低效能。相反,RRLC 數值愈高,SSD 優先降低存取延遲時間,待稍後才進行讀取修正動作。RRLC 將偵測 SSD 損耗程度,自動調整級別。

NVMe 1.4 的 DTWIN 及 NDWIN 能自動調整排程,讓 SSD 保留一定時間進行內部整理。

DTWIN 及 NDWIN 所佔時間並非固定,會依照負載量而自動調整。

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Source:ezone.hk、NVM Express Promoter Group

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