Hvad er NVMe-lagring, og hvilke fordele tilbyder det i forhold til SATA?

Informatic Digital » Recursos » Hvad er NVMe-lagring, og hvilke fordele tilbyder det i forhold til SATA?

Hvis du overvejer at opgradere din computer eller sætte en lynhurtig server op, vælg den rigtige type opbevaring Det er næsten lige så vigtigt som selve CPU'en eller RAM'en. I årevis har SATA SSD'er været den største forbedring i forhold til mekaniske harddiske, men den revolution er ikke blevet til noget med ankomsten af ​​en ny spiller: NVMe-lagring.

Denne teknologi forbedrer ikke bare hastigheden en smule: Det ændrer fuldstændigt den måde, systemet tilgår data påNæsten øjeblikkelige opstartstider, lynhurtig indlæsning af spil, lynhurtige databaser og servere, der kan håndtere betydeligt mere trafik med den samme hardware. Lad os se nærmere på, hvad NVMe er, hvordan det fungerer, hvordan det adskiller sig fra SATA og SAS, og hvilke reelle fordele det tilbyder til en hjemme-pc eller et professionelt miljø.

Hvad er NVMe-lagring præcist?

NVMe (Non-Volatil Memory Express) Det er en kommunikationsprotokol, der er designet fra bunden til at fungere med moderne ikke-flygtige hukommelser, såsom NAND Flash, udnytter grænsefladebanerne PCI Express (PCIe)I modsætning til SATA eller SAS, som oprindeligt var designet til mekaniske harddiske, blev NVMe skabt med en klar idé: at maksimere hastigheden, parallelismen og den lave latenstid for SSD'er.

Når en NVMe SSD er tilsluttet systemet, Den gør det direkte til bundkort PCIe-busuden at skulle gå gennem mellemliggende controllere som i AHCI. Denne direkte rute gør det muligt at kommunikere med høj hastighed med CPU og RAM, hvilket undgår flaskehalse, der er typiske for tidligere grænseflader, og reducerer responstiden til et par mikrosekunder.

En anden vigtig funktion ved NVMe er dens evne til at administrere flere input/output (I/O) køerStandarden understøtter op til 64.000 køer, og hver kø kan håndtere op til 64.000 samtidige kommandoer. Dette giver mulighed for at behandle et stort antal anmodninger parallelt og udnytte de nuværende multi-core processorer i både pc'er og servere fuldt ud.

Traditionelle protokoller som AHCI, der bruges i SATA, tillader derimod kun en kø med 32 kommandoerDette resulterer i ventetider, højere latenstid og dårligere udnyttelse af computerkraft, når der er mange læse- og skriveoperationer på samme tid, noget der bliver stadig mere almindeligt i moderne applikationer, databaser eller virtualisering.

Udviklingen af ​​NVMe fandt sted mellem 2008 og 2011 Med et klart mål: at erstatte SATA og SAS i scenarier, hvor hastighed og effektivitet er afgørende. Fordelene har været så tydelige, at standarden er blevet benchmarken for højtydende lagring, både i avancerede hjemmecomputere og datacentermiljøer.

Forholdet mellem NVMe og PCI Express-grænsefladen

En af de store fordele ved NVMe i forhold til tidligere teknologier er, at Den er direkte afhængig af PCIe-banerne af systemet. PCIe tilbyder enorm båndbredde Derudover tillader det enheden at kommunikere med RAM uden at skulle gennemgå yderligere lag såsom IOMMU i mange tilfælde, hvilket yderligere reducerer latenstid og forbrug af processorressourcer.

Denne direkte forbindelse gør det muligt for NVMe SSD'en udveksle data meget hurtigt med RAM og CPUDette er afgørende, når man håndterer store filer eller kontinuerlige datastrømme. For eksempel er det især vigtigt i opgaver som f.eks. 4K- eller 8K-videoredigering3D-teksturgengivelse i videospil, professionel 3D-modellering eller analyse af store mængder information.

I de tidlige dage med PCIe-tilsluttede SSD'er var det nødvendigt meget specifikke firmwares og manglende standardisering betød, at bussens fulde potentiale ikke blev udnyttet. For at løse dette problem blev NVMe-protokollen udviklet, der definerer, hvordan operativsystemet og SSD'en kommunikerer på en ensartet, effektiv og udvidelig måde.

Takket være denne protokol er der allerede etableret et fælles økosystem blandt producenter. NVMe-drev er blevet den dominerende type SSD i moderne mellemklasse- og high-end-pc'er samt i servere. Derudover er NVMe designet til at udvikle sig over tid, hvilket muliggør opdateringer og udvidelse af dens muligheder gennem nye firmwareversioner og specifikationer.

Et andet vigtigt aspekt er, at NVMe ikke er begrænset til "lokal" PCIe: NVMe over Fabrics (NVMe-oF) findesDette gør det muligt at udvide protokollen over forskellige typer netværk, såsom Ethernet, Fibre Channel eller InfiniBand. Dette åbner døren for netværkslagringsarkitekturer med ydeevne meget tæt på et lokalt drev, men med fleksibiliteten ved et distribueret system.

Fysiske formater og NVMe-drevtyper

Når vi taler om NVMe, refererer vi ikke kun til protokollen, men også til forskellige fysiske SSD-formater der bruger det. De mest almindelige i brugerudstyr og professionelle miljøer er følgende:

På den ene side har vi NVMe SSD'er i M.2-formatDisse er meget populære i moderne bærbare og stationære computere. De er formet som en aflang strimmel (ligner en "tyggegummi-pille"), der forbindes direkte til bundkortet uden kabler, hvilket sparer plads og forbedrer luftgennemstrømningen inde i pc-kabinettet.

Inden for det professionelle område anvendes enheder i vid udstrækning U.2 eller U.3som ligner 2,5-tommer diske og tillader hot-swapping i servere, noget essentielt til vedligeholdelsesopgaver og hurtig udskiftning uden at slukke maskinen.

Der er også kort PCIe AIC (tilføjelseskort)Disse installeres direkte i et PCIe-slot, ligesom et grafikkort. Dette format bruges primært til meget højtydende lagring eller til at montere flere NVMe-drev på det samme kort i avancerede servere.

I hjemmeapplikationer er M.2-formatet blevet standardiseret med en række størrelser, der deler den samme bredde på 22 mm, men varierer i længde. Således finder vi enheder 2230, 2242, 2260, 2280 og 22110hvor de første to cifre angiver bredden (22 mm) og de følgende længden i millimeter. Det mest udbredte format i dag er 2280, som findes i langt de fleste bundkort og bærbare computere.

Udover størrelsen skal du også tage højde for M.2-stiktypeDer er primært tre varianter: M-Key, B-Key og B+M-Key. M-Key-stikket er forbundet med NVMe-drev, der bruger PCIe-baner (normalt x4), B-Key er forbundet med mere begrænsede enheder (f.eks. PCIe x2 eller visse kommunikationsmoduler), og B+M-Key er i vid udstrækning reserveret til SATA-baserede SSD'er med mere beskedne hastigheder.

Forskelle mellem NVMe og SATA SSD'er (og andre protokoller)

I dagligdags sprog siger vi ofte "Jeg har en SSD" for at henvise til et solid-state-drev tilsluttet via SATADet samme stik, der bruges af ældre mekaniske harddiske. Dette spring repræsenterede allerede en enorm forbedring af opstarts- og programindlæsningstider, men SATA III-grænsefladen har en teoretisk grænse på omkring 600 MB/s, som allerede er ved at blive fuldstændig udtømt.

Når vi taler om en NVMe SSD Vi taler stadig om et solid-state-drev, men med en radikal ændring: i stedet for at bruge SATA-porten, forbinder den sig til PCI Express-bussen og kommunikerer ved hjælp af NVMe-protokollen. Denne kombination giver mulighed for hastigheder, der er flere størrelsesordener højere end en traditionel SATA SSD.

I praksis, mens en SATA SSD er omkring 500-550 MB/s Ved sekventielle læse- og skrivehastigheder kan et NVMe-drev på PCIe 3.0 bevæge sig med omkring 3.500 MB/s. PCIe 4.0 overvinde 7.000 MB / s og i PCIe 5.0-tilgangen 14.000 MB / sVi taler om at være 10 til 20 gange hurtigere i scenarier med sekventiel overførsel.

Men hastigheden i MB/s er ikke alt. NVMe udmærker sig især ved IOPS (input/output-operationer pr. sekund) og latenstid. Takket være dens parallelle kommandokøer og moderne design kan en NVMe SSD nemt overstige to millioner IOPS og være op til 900 % hurtigere end et AHCI-drev under visse arbejdsbelastninger.

Sammenlignet med SAS, der traditionelt bruges i servere, tilbyder NVMe betydeligt højere ydeevne med lavere energiforbrug og stadigt enklere implementering. SAS har stadig sin niche, men inden for højtydende NVMe flash-lagring har det etableret sig som de facto branchestandarden.

Med hensyn til brugeroplevelsen, oversættes dette til operativsystemet Det starter om et par sekunder.Applikationer åbner næsten øjeblikkeligt, videospil indlæser kort og teksturer uden lange ventetider, og tunge operationer med store filer (kopiering, dekomprimering, redigering) udføres på en brøkdel af tiden.

Hvordan fungerer NVMe for at opnå så høje hastigheder?

For at forstå, hvorfor NVMe er så hurtig, skal man se på, hvordan den håndterer det. input- og output-kommandokøerHver gang systemet skal læse eller skrive data, sender det en anmodning, der placeres i en kø. Med NVMe er systemet ikke begrænset til en enkelt kort kø, men kan have titusindvis af køer, hver med titusindvis af anmodninger.

Denne struktur tillader Fordel operationerne mellem de forskellige CPU-kernerDette reducerer blokerings- og ventetider. Mens én kerne behandler én kø, kan en anden samtidig håndtere en anden, hvilket passer perfekt til multikernearkitekturen i nuværende desktop- og serverprocessorer.

I selve SSD'en er nøglekomponenten blitzcontrollerEn mikrocontroller, der kører NVMe-protokollen og orkestrerer adgang til NAND-hukommelseschips. Denne controller fungerer på samme måde som en RAM-controller, men arbejder med ikke-flygtig hukommelse, der administrerer slidudjævning, fejlkorrektion og intern dataorganisering.

Takket være dette design, de mest krævende faser i protokollen Disse opgaver delegeres inden for selve SSD'en, hvilket frigør systemets primære CPU fra meget af arbejdet. Resultatet er færre processorcyklusser pr. I/O-operation, hvilket påvirker både den samlede ydeevne og energieffektiviteten.

Derudover eliminerer NVMe latenstid forbundet med mekanisk ventetid, omrækkefølge af sektorer og andre historiske begrænsninger, da det ikke bærer arven fra mekaniske harddiske. Alt er designet til at gøre adgangen så direkte som muligt og for at udnytte funktionerne i moderne flashhukommelse fuldt ud.

De vigtigste fordele ved NVMe-lagring

Den første store fordel ved NVMe er dens bruttoudbytteSammenlignet med de cirka 0,6 GB/s for SATA III, kan et NVMe-drev på PCIe x4 nå 4 GB/s med tidligere generationer af PCIe, over 7 GB/s med PCIe 4.0 og tæt på 14 GB/s med PCIe 5.0. Disse tal repræsenterer et kæmpe spring for enhver opgave, hvor lagerplads er flaskehalsen.

En anden fordel er ekstremt lav latenstidVed at have en direkte forbindelse til CPU og RAM og udnytte parallelle køer reduceres svartiderne drastisk. Dette er afgørende i applikationer, hvor hvert millisekund tæller, såsom databaser med høj trafik, webtjenester med tusindvis af samtidige brugere, handel, realtidsdataanalyse eller kunstig intelligens-miljøer.

NVMe skiller sig også ud for sine energieffektivitetFor at udføre de samme opgaver som et SATA SSD eller et SCSI-baseret system kræver det færre CPU-niveauoperationer og færre fysiske enheder for at opnå den samme ydeevne. I et datacenter betyder dette lavere strømforbrug, mindre varmeudvikling og reducerede kølebehov.

På et fysisk niveau er NVMe SSD'er, især i M.2-format, fylder meget lidtDette har gjort det muligt for bundkortproducenter at tilføje flere M.2-slots direkte til printkortet og reducere virvaret af SATA-kabler inde i kabinettet. I bærbare computere er den kompakte størrelse ideel til tynde og lette systemer med høj lagerkapacitet.

Et andet punkt til fordel er skalerbarhedTakket være NVMe-oF kan den samme protokol bruges over netværk som Ethernet eller Fibre Channel, hvilket udvider NVMe-ydeevnen ud over selve serverkabinettet. Dette åbner døren for delte lagringsløsninger med meget lav latenstid og ydeevne, der tidligere kun var tilgængelig med højt specialiserede systemer.

Endelig er NVMe blevet designet som en langsigtet standardDens specifikation understøtter firmwareopdateringer og nye funktioner uden at kræve en komplet arkitekturændring, hvilket giver producenterne mulighed for at forbedre deres drev over tid og inkorporere fremskridt såsom zoneinddelte navneområder (ZNS), avancerede sikkerhedsfunktioner eller fjernstartsunderstøttelse.

Ulemper og overvejelser før valg af NVMe

Det er ikke kun fordele, og der er nogle ting, man bør tage i betragtning. begrænsninger og krav Før du skynder dig ud og køber en NVMe SSD, er det første, du skal overveje, kompatibilitet: det er ikke nok, at dit bundkort har en M.2 slotDet er nødvendigt, at dette slot specifikt understøtter PCIe/NVMe og ikke kun SATA.

For at kontrollere dette er den mest pålidelige metode tjek den nøjagtige bundkortmodel Du kan finde disse oplysninger i manualen, på producentens hjemmeside eller ved hjælp af værktøjer som dxdiag og andre diagnosticeringsværktøjer. Mange ældre bundkort har kun M.2-slots til SATA-drev, og i så fald vil en NVMe SSD enten ikke fungere eller ikke blive genkendt af BIOS/UEFI.

Vi er også nødt til at se på PCI Express-version understøttet af bundkortet og processoren. Hvis din computer kun understøtter PCIe 3.0, vil køb af et PCIe 5.0-drev ikke give dig mere ydeevne end et PCIe 3.0- eller 4.0-drev, selvom det vil være kompatibelt i de fleste tilfælde, fordi versionerne normalt er bagudkompatible på signalniveau.

Et andet praktisk aspekt er spørgsmålet om hedeNVMe-drev, især de hurtigere, kan blive ret varme, når de arbejder med fuld kapacitet. Derfor har mange moderne bundkort dedikerede køleplader til M.2-slotsene, og mange high-end SSD'er har deres eget passive kølesystem for at forhindre ydelsestab på grund af termisk begrænsning.

Hvad angår prisen, er den faldet betydeligt de seneste år, NVMe er stadig noget dyrere end SATA med samme kapacitet. Forskellen i ydelse er dog så stor, at den i de fleste tilfælde mere end kompenserer for den lille merpris, især hvis du bruger udstyret til krævende opgaver, eller hvis tid er en nøglefaktor i dit arbejde.

Endelig er det vigtigt at overveje brug af PCIe-banerHver NVMe SSD bruger et bestemt antal PCIe-baner (normalt x4), som deles med andre enheder såsom grafikkortet, højhastighedsnetværkskort eller yderligere controllere. I systemer med få tilgængelige PCIe-baner skal du omhyggeligt planlægge, hvor mange enheder du vil installere, for at undgå at løbe tør for plads.

Brugsscenarier: Hvornår en NVMe SSD er det værd

I professionelle miljøer er NVMe praktisk talt standardindstillingen for databaser, virtualisering og webtjenesterMinimale svartider og muligheden for at håndtere tusindvis af samtidige anmodninger gør, at applikationer som e-handel, CRM, ERP eller dataanalyse kører meget mere problemfrit og understøtter flere samtidige brugere.

I cloud computing-verdenen giver NVMe dig mulighed for at tilbyde virtuelle maskiner og containere med ekstremt hurtig lagringreducerer implementeringstider og forbedrer ydeevnen af ​​kritiske applikationer. NVMe-oF gør det også muligt at dele denne ydeevne på tværs af netværket med minimalt tab.

For individuelle brugere er en NVMe SSD ideel, hvis Du spiller moderne spil der konstant indlæser teksturer og data, da det drastisk reducerer indlæsningsskærme og hjælper med at forhindre hakken på grund af utilstrækkelig diskhastighed. Det anbefales også kraftigt, hvis du arbejder med videoredigering, fotografering i høj opløsning eller musikproduktion med mange store filer.

Selv til hverdagens produktivitetsopgaver, såsom at surfe på nettet, bruge kontorsoftware eller administrere e-mail, Den overordnede følelse af systemet er en af ​​større smidighed.Applikationer åbner øjeblikkeligt, systemet "tænker" ikke, når mange faner eller programmer er åbne, og opdateringer og sikkerhedskopier udføres meget hurtigere.

Hvis du i øjeblikket bruger en SATA SSD, og ​​dit bundkort understøtter NVMe, Springet er normalt ret mærkbart med hensyn til indlæsningstider og generel flydendehed, især hvis du bruger krævende software eller udfører intensiv multitasking. For mange brugere er det en af ​​de mest effektfulde ydeevneforbedringer, du kan foretage på en pc uden at ændre processoren.

NVMe som standard for nutiden og fremtiden

Med alt ovenstående har NVMe positioneret sig som fundamentet for den nye generation af opbevaringDens massive udbredelse i bærbare computere, stationære computere og datacentre, kombineret med den kontinuerlige udvikling af PCIe (Gen4, Gen5 og hvad der kommer efter), konsoliderer den som den teknologi, som nutidens højtydende systemer er bygget på.

Efterhånden som behovet for databehandling stiger inden for områder som f.eks. kunstig intelligens, big data, virtuel og augmented realityI/O-kravene stiger voldsomt. NVMe tilbyder den kombination af hastighed, latenstid og skalerbarhed, der er nødvendig for, at disse applikationer kan køre uden at være bundet til lagerplads.

Muligheden for at opdatere firmwaren og indarbejde nye funktioner i selve standarden sikrer, at NVMe kan fortsætte med at tilpasse sig i mange år. at tilpasse sig ændringer i sektoren uden at skulle opfinde hjulet på ny med en helt ny protokol. For nuværende ser der ikke ud til at være et kortsigtet alternativ, der vil erstatte det på kort eller mellemlang sigt.

Kort sagt, at vælge en NVMe SSD i dag er for at sikre et system, der er forberedt til de kommende årMed tilstrækkelig ydeevne til at understøtte nyere operativsystemer, spil og professionelle applikationer uden at lagerplads bliver en flaskehals, er det en af ​​de opgraderinger, du vil bemærke fra første opstart, hvis dit bundkort er kompatibelt, og dit budget tillader det.