NVMe 1.4協議三大新功能解讀！

NVMe協會在FMS2018上透過一系列的演講對NVMe、NVMe-oF、NVMe-MI、JBOF以及NVMe基準測試等方面做了介紹。並且釋出了NVMe後續的演進方案的Roadmap。

從NVMe Roadmap來開，NVMe 1.4將會是NVMe協會接下來的主要工作。此次NVMe1.4的更新主要包含以下幾大方面：

1. IO Determinism；
2. Persistent memory Region；
3. Multipathing；

• IO Determinism是為了最佳化latency提供更好的QoS而生。
• Persistent memory Region的特點是掉電不丟資料，為系統提供一種高效的Non-Volatile儲存空間。從目前市場應用來看最可能的應用是儲存一些系統的log檔案，以及一些metadata等。
• Multipathing提供了更加高效便捷的data share解決方案。其中IO Determinism應該是此次NVMe 1.4更新的重點內容。本文也主要針對IO Determinism做一些分析。

What is NVMe IO Determinism？

• 提供相對獨立的訪問空間；
  
• 提高IOPS，降低延時；
• 提供更加優秀的QoS；

為了做到以上幾點，IO Determinism包含以下幾部分內容，一個是NVM Sets，一個是PLM(Predictable Latency Mode)，還有RRL(Read Recovery Level)。

NVM Sets

NVMe 1.4中透過NVM Sets實現了對SSD物理資源的精細劃分，每個Set可以獨立佔用一部分SSD的資源，每部分資源可以包含多個Flash channel以及多個Flash die，可以獨立的進行read，write，erase等操作，如下圖所示，在沒有NVM Set之前多個application share所有的SSD資源，會出現一個application在執行的時候會block另一個application的操作，降低系統的QoS，在有NVM Sets之後每個一個application可以使用一個獨立的NVM Set，這樣application之間不會存在相互block的情況，提高了系統的QoS。

PLM

PLM是IO determinism中另外一個組成部分，主要用於最佳化系統的讀寫延時，提高系統的QoS。在PLM有效之後系統劃分為DTWIN（Deterministic Window）以及NDWIN（Non-Deterministic Window）兩種時間視窗，在DTWIN時間視窗內，SSD系統提供為讀寫指令提供deterministic latency，以提高系統的QoS，在NDWIN時間視窗內，SSD系統不需要提供deterministic latency，以完成SSD系統內部的GC等操作。

有了這兩種時間視窗系統可以靈活排程對SSD的讀寫，以保證儘量將read/write執行放在DTWIN的時間段內執行，以減少latency，提高系統的QoS。

在DTWIN內有兩個值需要註意，一個是typical value，這個值表示SSD系統可以在DTWIN時間視窗內可以執行的command數量（rand 4K read or Optimal Write Unit Size write）。另一個是reliable estimate value，這個值表示在DTWIN時間視窗內剩餘的可執行的command數量值。以上兩個值Host可以透過Get log page得到。

下圖為大家展示了一個read DTWIN的typical value與estimate value之間的關係圖。

隨著reliable estimate value的減少，當小於某一threshold之後，SSD會自動從DTWIN跳到NDWIN。當然Host也可以透過set Features指令直接配置SSD處於DTWIN還是NDWIN時間視窗內。

在DTWIN以及NDWIN內有幾個時間引數也需要註意：

• NDWIN Time Minimum Low：SSD controller在收到請求進入DTWIN的set Feature指令之後需要在這個時間之內完成從NDWIN到DTWIN的轉換。
• NDWIN Time Minimum High：表示Host在上一個DTWIN Time Maximum之後需要在NDWIN視窗內需要花費的時間。
• DTWIN Time Maximum：表示SSD系統可以保持在Deterministic Window的最大時間。

DTWIN Time Maximum與NDWIN Time Minimum High提供了一個系統在DTWIN與NDWIN的比例，例如Host在Deterministic Window保持了DTWIN Time Maximum的一半時間，那麼host只需要在接下來的Non-Deterministic Window保持NDWIN Time Minimum High的一半時間。

RRL

由於在read過程中會出現資料錯誤，而資料出錯的比例不同造成data recovery的時間也會不同，所以為了實現PLM，NVMe協議規定在支援PLM的時候需要同時支援Read Recovery Level Config。不同的Read Recovery Level對應不同的read latency。Recovery Level 0代表需要SSD盡最大努力去恢復資料，同時read latency也會更高，Recovery Level 15代表需要SSD儘快完成資料恢復工作，盡可能降低read latency，但是同時也有可能帶來資料無法正確恢復。Host根據不同的需求可以配置不同的recovery level。