2025年12月15日，微軟宣布Windows Server 2025將在其儲存架構中原生支援NVMe標準。然而，NVMe儲存多年來一直是伺服器、企業工作站和消費級PC上流行的儲存格式，並且自Windows Server 2012 R2和Windows 8.1起就已內建了作業系統相容性。有鑑於此，關於「原生」NVMe支援的公告似乎並不重要，甚至不值得報道，但我們保證，這其中蘊含的意義遠不止表面看起來那麼簡單。
「原生 NVMe」到底是什麼意思？
在早期版本的 Windows 消費者版和伺服器版儲存堆疊中，用於讀寫資料的命令，無論底層硬體採用何種協議，都會轉換為 SCSI 命令。小型電腦系統介面 (SCSI) 標準可追溯至 20 世紀 80 年代初，其設計目的是將週邊設備和儲存磁碟機連接到電腦（儲存網路產業協會，無日期）。它是多種現代儲存協議的基礎，這些協議用於各種工作負載，包括網路連接協議，例如 iSCSI（互聯網小型電腦系統介面）和 FCP（光纖通道協議），以及本地儲存接口，例如 SAS（串行連接 SCSI）和 UASP（USB 連接 SCSI）。
舊方法
透過將不同的協定轉換為 SCSI 命令，微軟在作業系統更高層統一了儲存命令。然而，這也犧牲了現代儲存架構在可擴充性和效能方面的諸多優勢。舊的 I/O 操作路徑如下：
- 讀寫操作在檔案系統層級的上層儲存堆疊中進行。
- 命令會傳遞給 Disk.sys 驅動程式。
- Disk.sys 將通用儲存指令轉換為 SCSI 指令。
- Storport 接收 SCSI 命令並將其傳送給對應的 Miniport 驅動程式（例如，SATA 磁碟機的 StorAHCI.sys）。
- 相應的微型連接埠驅動程式直接與儲存設備通信，並將其再次轉換為適當的儲存命令格式。
其他 SCSI 約定，例如用於識別儲存裝置上資料分割的 LUN（邏輯單元號碼），也被沿用到 Windows 儲存堆疊中，儘管像 NVMe 命名空間這樣的新概念已經存在了相當長一段時間（Hands、Worley 和 Lakhveer Kaur，未註明日期）。
新標準
微軟為 Windows Server 2025 推出的最新儲存架構為 Storport 啟用了新功能，並將 Disk.sys 替換為 NVMeDisk.sys，從而提供了一個可擴展、面向未來、高效能的框架。
- 讀寫操作在檔案系統層級的上層儲存堆疊中進行。
- 指令直接從 NVMeDisk.sys 傳遞到 Storport 中的新 StorMQ 程式碼。
- StorMQ 會為每個讀取和寫入作業產生對應的 NVMe（或其他儲存類型）指令，並將它們直接傳送到硬體本身。
（圖片來自 Scott Lee 於 2025 年 9 月 16 日在 SNIA 開發者大會上的演講）
Windows Server 2025 上的這項全新磁碟機操作標準消除了一層轉換，並與 NVMe、RAID 和 HBA 裝置上的儲存指令佇列完全整合。簡化 Windows 儲存系統還帶來了其他優勢，例如透過消除不必要的儲存命令轉換來降低 CPU 資源佔用，並提高邏輯處理器的使用率。新架構採用了其他 NVMe 規範，例如 NVMe 命名空間和即插即用支援。它允許創建特定於供應商或設備類型的儲存微型連接埠驅動程序，並將其「插入」到 Windows 中，從而提高與新型儲存裝置的相容性和效能（Lee，SNIA SDC 2025 – Windows 上的儲存多佇列，2025）。
準備好測試了嗎？
在2025年9月16日舉行的SNIA開發者大會上，Scott Lee透露，微軟已與供應商緊密合作，為RAID卡和HBA等設備開發新的驅動程式。這表明StorMQ的改進即將到來，或者可能已經在許多儲存裝置上啟用。該功能已於去年12月宣布正式發布，但新的儲存堆疊僅作為選用功能啟用，需要新增註冊表項。您可以閱讀啟用步驟。 微軟關於原生 NVMe 的公告文章.
警告： 錯誤地修改註冊表可能會導致嚴重問題，因此請務必先在非關鍵伺服器上進行測試。一些啟用此功能的用戶報告稱，啟用重複資料刪除功能的 NVMe 驅動器存在問題。雖然微軟即將發布官方修復程序，但您仍需自行承擔風險！
在 Windows Server 2025 上測試原生 NVMe
我們用於評估 Windows Server 2025（作業系統版本 26100.32370）上原生 NVMe 效能的測試平台，採用了一台配備雙 SP5 插槽的伺服器，該伺服器搭載了兩顆 128 核心 AMD EPYC 9754 CPU。除了多核心處理器之外，該伺服器還配備了同樣令人印象深刻的 768GB DDR5 內存，運行頻率為 4800 MT/s。
請注意： 據微軟的 Yash Shekar 稱，Windows Server 2025 已經發布了與原生 NVMe 無關的臨時改進，這可能為非原生儲存堆疊提供了額外的提升，從而減少了結果之間的潛在差異。
為了評估新型儲存堆疊的潛力，我們使用了十五個 30.72 TB Solidigm P5316 NVMe 固態硬碟 採用 PCIe 4.0 和 JBOD 配置。需要注意的是，Solidigm P5316 的間接單元大小為 64 KB，這表示對於較小資料區塊（例如 4K 測試），寫入效能通常會低於預期。考慮到其較大的間接單元，我們運行了 FIO 基準測試，分別測試了隨機 4K、隨機和順序 64K 以及順序 128K 的讀寫性能，以比較不同資料區塊大小下的整體速度。此外，我們也在測試過程中監控了 CPU 使用率，以驗證微軟關於其更高效率的說法。
- 大幅提升了 4K 和 64K 隨機讀取頻寬和 IOPS。
- 降低 4K 和 64K 隨機讀取延遲
- 對於不同區塊大小的順序讀取和寫入操作，CPU 使用率顯著降低。
| 公制 | 隨機 4K | 隨機 64K | 順序 64K | 順序 128K | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | |
| 閱讀 | ||||||||
| 頻寬（GiB/s） | 6.1 | 10.058 | 74.291 | 91.165 | 35.596 | 35.623 | 86.791 | 92.562 |
| IOPS | 1,598,959 | 2,636,516 | 1,217,176 | 1,493,637 | 583,192 | 583,638 | 710,978 | 758,252 |
| 平均延遲（毫秒） | 0.169 | 0.104 | 0.239 | 0.207 | 0.809 | 0.812 | 0.613 | 0.608 |
| CPU 總使用率 (%) | 72.67 | 74.22 | 68.44 | 65.11 | 44.89 | 37.11 | 61.56 | 49.56 |
| 公制 | 隨機 4K | 隨機 64K | 順序 64K | 順序 128K | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | 非本地人 | 本地人 | |
| 寫 | ||||||||
| 頻寬（GiB/s） | 1.803 | 1.756 | 7.654 | 7.655 | 44.67 | 50.087 | 50.477 | 50.079 |
| IOPS | 472,725 | 460,383 | 125,391 | 125,406 | 731,859 | 820,603 | 413,495 | 410,232 |
| 平均延遲（毫秒） | 0.992 | 1.028 | 3.814 | 3.816 | 0.399 | 0.558 | 1.022 | 1.149 |
| CPU 總使用率 (%) | 26.00 | 20.67 | 12.22 | 9.33 | 70.44 | 57.78 | 58.44 | 47.33 |
結果分析
首先進行隨機 4K 和 64K 讀取基準測試，我們觀察到讀取速度顯著提升。在隨機 4K 讀取測試中，原生儲存棧和非原生儲存棧之間的速度差距接近 4 GiB/s；在隨機 64K 讀取測試中，速度提升更是接近 16.9 GiB/s。此外，我們也發現順序 128K 讀取操作的效能也有顯著提升，測試結果顯示頻寬提升了約 5.8 GiB/s。
奇怪的是，我們在隨機寫入和順序寫入頻寬測試中都沒有觀察到任何顯著提升，唯一值得注意的差異是 64K 順序寫入速度提升了約 5.4 GiB/s。大多數測試結果彼此相差不到 100 MiB/s，這表明在效能未提升的情況下，新儲存堆疊的效能至少與舊版本保持一致。
由於吞吐量通常與延遲相關，我們也觀察到 4K 和 64K 測試中平均隨機讀取延遲均大幅下降。非原生 4K 隨機讀取延遲下降了 38.46%，從 0.169 毫秒降至 0.104 毫秒。 64K 隨機讀取測試的下降幅度較小，約 13.39%。順序讀取操作的延遲變化不大，但隨機寫入和順序寫入操作的延遲均有所增加，儘管吞吐量相近或更高。
除了隨機讀取速度的提升，我們的 FIO 測試還揭示了一個有趣的趨勢：64K 和 128K 順序讀寫操作的總 CPU 使用率顯著下降。順序寫入測試的降幅最為顯著，64K 順序寫入的 CPU 使用率平均下降了 12.66%，128K 順序寫入的 CPU 使用率也下降了近 11.11%。我們進行的 128K 順序讀取測試也觀察到了 12% 的使用率下降，但 64K 順序讀取的 CPU 使用率僅下降了 7.78%。需要考慮的一個因素是，如果 CPU 速度夠快，某些情況下兩個堆疊都可能達到儲存裝置的全部效能；因此，吞吐量可能不會增加，但 CPU 資源使用率會降低。
投資訊息
啟用新的儲存堆疊後，我們的許多測試結果都存在一定的運行間差異，但我們證實了微軟的許多說法，包括更高的讀取頻寬、更低的延遲以及全面降低的 CPU 使用率。由於這對沿用數十年的 Windows Server 儲存堆疊來說是一次徹底的變革，微軟將在 Windows Server vNext 中率先預設啟用原生 NVMe。幸運的是，使用者可以透過簡單的登錄編輯或群組原則在 Windows Server 2025 上啟用此功能，這使得勇於嘗試的伺服器管理員能夠儘早（在充分了解部署風險的前提下）利用新堆疊的優勢。
我們期待在 Windows Server 平台上預設啟用原生 NVMe，並希望 NVMe SSD、RAID 卡和 HBA 製造商能夠積極參與，將微軟的改進提升到一個新的水平！
參考
Hands, J.、Worley, D. 與 Lakhveer Kaur。 （無日期）。 NVMe 命名空間。檢索日期：2025 年 12 月 30 日，來自 NVM Express： https://nvmexpress.org/resource/nvme-namespaces/
Lee, S. (2025年9月15日)。 SNIA SDC 2025 – Windows 上的儲存多佇列。美國加州聖托馬斯：儲存網路產業協會。檢索日期：2025年12月29日。 https://www.youtube.com/watch?v=dR-DWrmCba0&t
Lee, S. (2025年9月16日)。 Windows上的儲存多佇列：高效能儲存硬體的新堆疊。檢索日期：2025年12月29日，資料來源：SNIA開發者大會。 https://www.snia.org/sites/default/files/2025-10/SNIA-SDC25-Lee-Storage-Multi-Queue-On-Windows.pdf
Shekar, Y. (2025年12月15日)。宣佈在 Windows Server 2025 中引進原生 NVMe：開啟儲存效能新時代。 (微軟) 2025年12月29日取自 Windows Server 新聞與最佳實務： https://techcommunity.microsoft.com/blog/windowsservernewsandbestpractices/announcing-native-nvme-in-windows-server-2025-ushering-in-a-new-era-of-storage-p/4477353
儲存網路產業協會。 （無日期）。什麼是 SCSI？檢索日期：2025 年 12 月 30 日，資料來源：儲存網路產業協會。 https://www.snia.org/education/what-is-scsi
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