固態硬碟（SSD）作為現代數據中心與高性能運算的核心儲存元件，其性能提升與功能擴展，深深依賴底層儲存協議的演進。NVM Express（NVMe）作為主流的儲存介面，自問世以來以低延遲與高並行性大幅改變了整個儲存產業。
隨著應用場景的日益複雜，NVMe 標準也不斷演進。2021 年發布的 NVMe 2.0 並非單純的版本升級，而是一次全面的架構重組（Refactoring）與功能擴展，標誌著 NVMe 協議進入下一個發展階段。
一、NVMe 2.0 的核心變革與與 NVMe 1.4 的差異
1.1 規範架構模組化
NVMe 1.4 及以前的版本採用單一規範文件，隨著功能增多，維護與擴展難度逐漸增加。NVMe 2.0 採用模組化設計，將規範分為多個相互關聯的子文件，形成所謂的 Library of Specifications，例如：- NVMe Base Specification：定義核心架構與控制器介面
- Command Set Specifications：定義不同儲存模型的指令集
- NVM Command Set（傳統 LBA 模型）
- Zoned Namespace (ZNS) Command Set
- Key-Value (KV) Command Set
- Transport Specifications：
- NVMe over PCIe
- NVMe over Fabrics（如 RDMA、TCP）
- Management Interface Specification：定義帶外管理介面
這種架構使 NVMe 標準更容易進行擴展與更新，未來新增功能只需補充相對應的子規範即可。
1.2 新功能與新指令集亮點
功能/特性NVMe 1.4NVMe 2.0模組化規範否是ZNS草案支援正式獨立命令集KV 儲存命令集否是Endurance Group Management否是Simple Copy Command否是支援 HDD（Rotational Media）否是Lockdown Command否是Host Memory Buffer（HMB）是強化支援
二、NVMe 2.0 核心新技術介紹
2.1 Zoned Namespaces (ZNS)
- 概念：將命名空間劃分為多個 Zone，每個 Zone 僅能順序寫入，寫滿後需透過
Reset Zone清除後才能再次寫入。 - 目的：減少 NAND 隨機寫入導致的寫入放大（Write Amplification），提升壽命與寫入效率，特別適用於日誌型、HPC 與雲端場景。
- 常用指令：
Zone Append、Report Zones、Reset Zone、Open/Close/Finish Zone
2.2 Key-Value (KV) Command Set
- 概念：主機可透過 Key 直接操作資料，不需轉換成 LBA。
- 目的：簡化應用層儲存邏輯，降低主機資源耗用，特別適用於 KV 資料庫型應用。
- 指令：
KV Store、KV Retrieve、KV Delete
2.3 Endurance Group Management
- 概念：將 SSD 的 NAND 劃分為多個 Endurance Groups，獨立追蹤與控管壽命與磨耗。
- 應用：可根據應用類型（熱/冷資料）安排資料寫入區域，提高 NAND 使用效率與壽命。
- 注意：此功能依硬體與 FW 實作支援情況而定。
2.4 Simple Copy Command
- 概念：允許主機指示 SSD 在內部進行資料複製，無需搬移資料至主機後再寫回。
- 效益：大幅降低 PCIe 帶寬與 CPU 負載，提升虛擬化、大型資料搬移效能。
2.5 Rotational Media Support
- 目的：讓 NVMe 協議不再只支援快閃記憶體，也能支援具 Zone 模型的 HDD，例如 ZAC/ZBC 裝置。
- 限制：非所有 HDD 都實作 NVMe over Rotational Media，此為針對特定應用場景設計。
2.6 Command Group Control（Lockdown）
- 概念：透過 Lockdown 機制控制命令組存取權限，增強安全性，防止未授權指令操作。
三、命名空間管理新特性實戰
3.1 Namespace Type
NVMe 2.0 引入 Namespace Type (NTYPE) 欄位，能定義此命名空間的類型為 NVM、ZNS 或 KV，進而導向適用的命令與管理策略。
3.2 Namespace 操作範例（以 ZNS 為例）
前置條件：
- SSD 支援 NVMe 2.0 並支援 ZNS
- 安裝最新版
nvme-cli
操作步驟（bash 範例）：
bash
複製編輯# 檢查是否支援 ZNS
nvme id-ctrl /dev/nvme0 -H | grep zns
# 建立 ZNS Namespace（100GB）
nvme create-ns /dev/nvme0 -s 209715200 -c 209715200 -f 0 -d 1 -t 1
# 附加 Namespace 至控制器
nvme attach-ns /dev/nvme0 -n 1 -c 0
# 查詢新命名空間資訊
nvme id-ns /dev/nvme0 -n 1 -H
# 顯示 Zone 資訊
nvme zns report-zones /dev/nvme0n1
四、自動化腳本與驗證建議
可透過 Python + subprocess 撰寫自動化腳本，執行 ZNS Namespace 的建立、附加與驗證行為。
實作重點：
- 檢查
nvme id-ctrl中的zns = 1 - 建立命名空間後記錄 ID，附加至 controller
- 查詢
nsfeat確認是否為 ZNS 類型 - 可擴充腳本實作錯誤注入測試、Zone 管理邏輯等
五、結論與展望
NVMe 2.0 並非單純的版本更新，而是針對現代資料中心需求所進行的全方位規範重構與功能擴展。藉由 ZNS、KV、Endurance Group、Simple Copy 等新技術，NVMe 2.0 帶來更高的儲存效率、更細緻的資源管理能力，並為傳統硬碟提供統一的儲存協定支持。
未來趨勢展望：
- ZNS 生態系將持續壯大（Linux 核心、F2FS、應用庫皆已支援）
- KV Command Set 可望提升 NoSQL 儲存效率
- 統一儲存協定：不論是 NAND 或 HDD，皆能透過 NVMe 管理
- 與 PCIe Gen6、CXL 結合，構建新一代 AI 資料中心儲存架構
