Mitä on NVMe-tallennustila ja mitä etuja sillä on SATA-tallennustilaan verrattuna?

Informatec Digital » Resurssit » Mitä on NVMe-tallennustila ja mitä etuja sillä on SATA-tallennustilaan verrattuna?

Jos harkitset tietokoneesi päivittämistä tai salamannopean palvelimen rakentamista, oikean tallennustyypin valitseminen on lähes yhtä tärkeää kuin suorittimen tai RAM-muistin. Vuosien ajan SATA SSD -levyt ovat olleet mekaanisten kiintolevyjen edelläkävijä, mutta uuden toimijan, NVMe-tallennustilan, saapuminen on ohittanut tämän vallankumouksen.

Tämä teknologia ei paranna nopeutta vain hieman: se muuttaa täysin järjestelmän tiedonkäyttötavan . Lähes välittömät käynnistysajat, salamannopeat pelien latausajat, huippunopeat tietokannat ja palvelimet, jotka pystyvät käsittelemään huomattavasti enemmän liikennettä samalla laitteistolla. Katsotaanpa tarkemmin, mitä NVMe on, miten se toimii, miten se eroaa SATA- ja SAS-kiintolevyistä ja mitä todellisia etuja se tarjoaa kotitietokoneelle tai ammattiympäristölle.

Mitä NVMe-tallennustila tarkalleen ottaen on?

NVMe (Non-Volatile Memory Express) on alusta alkaen suunniteltu tietoliikenneprotokolla toimimaan nykyaikaisten pysyväismuistien, kuten NAND Flash -muistien , kanssa hyödyntäen PCI Express (PCIe) -liitännän kaistoja . Toisin kuin SATA tai SAS, jotka alun perin suunniteltiin mekaanisille kiintolevyille, NVMe luotiin selkeällä tavoitteella: maksimoida SSD-levyjen nopeus, rinnakkaisuus ja pieni latenssi.

Kun NVMe SSD -levy kytketään järjestelmään, se kytketään suoraan emolevyn PCIe-väylään ilman, että sen tarvitsee kulkea väliohjainten kautta kuten AHCI:ssa. Tämä suora reitti mahdollistaa sen kommunikoinnin suurella nopeudella suorittimen ja RAM-muistin kanssa, välttäen vanhemmille liitännöille tyypillisiä pullonkauloja ja lyhentäen vasteajan vain muutamaan mikrosekuntiin.

Toinen NVMe:n tärkeä ominaisuus on sen kyky hallita useita tulo-/lähtöjonoja (I/O) . Standardi tukee jopa 64 000 jonoa, ja kukin jono voi käsitellä jopa 64 000 samanaikaista komentoa. Tämä mahdollistaa valtavan määrän pyyntöjen käsittelyn rinnakkain, hyödyntäen täysimääräisesti nykyisiä moniydinprosessoreita sekä tietokoneissa että palvelimissa.

Perinteiset protokollat, kuten SATA:ssa käytetyt AHCI, sallivat vain 32 komennon jonon . Tämä johtaa odotusaikoihin, suurempaan latenssiin ja laskentatehon tehottomaan käyttöön, kun useita luku- ja kirjoitustoimintoja suoritetaan samanaikaisesti – mikä on yhä yleisempää nykyaikaisissa sovelluksissa, tietokannoissa ja virtualisoinnissa.

NVMe kehitettiin vuosina 2008–2011 selkeällä tavoitteella: korvata SATA ja SAS tilanteissa, joissa nopeus ja tehokkuus ovat kriittisiä. Sen edut ovat olleet niin ilmeisiä, että standardista on tullut vertailukohta tehokkaalle tallennukselle sekä edistyneissä kotitietokoneissa että datakeskusympäristöissä.

NVMe:n ja PCI Express -liitännän välinen suhde

Yksi NVMe:n merkittävimmistä eduista aiempiin tekniikoihin verrattuna on, että se perustuu suoraan järjestelmän PCIe-väyliin. PCIe tarjoaa valtavan kaistanleveyden ja lisäksi mahdollistaa laitteen kommunikoinnin RAM-muistin kanssa ilman, että sen tarvitsee monissa tapauksissa kulkea ylimääräisten kerrosten, kuten IOMMU:n, läpi, mikä vähentää entisestään viivettä ja prosessorin resurssien kulutusta.

Tämä suora yhteys mahdollistaa NVMe SSD -levyn nopean tiedonvaihdon RAM-muistin ja suorittimen kanssa , mikä on elintärkeää käsiteltäessä suuria tiedostoja tai jatkuvia tietovirtoja. Se on erityisen tärkeää esimerkiksi 4K- tai 8K-videonmuokkauksessa , 3D-tekstuurien renderöinnissä videopeleissä, ammattimaisessa 3D-mallinnuksessa tai suurten tietomäärien analysoinnissa.

PCIe-liitettyjen SSD-levyjen alkuaikoina vaadittiin erittäin tarkkaa laiteohjelmistoa , eikä standardointia ollut juurikaan, minkä vuoksi väylän täyttä potentiaalia ei hyödynnetty. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin NVMe-protokolla, joka määrittelee, miten käyttöjärjestelmä ja SSD-levy kommunikoivat yhtenäisellä, tehokkaalla ja laajennettavalla tavalla.

Tämän protokollan ja siitä johtuvan valmistajien yhteisen ekosysteemin ansiosta NVMe-levyistä on tullut hallitseva SSD-tyyppi nykyaikaisissa keskitason ja huippuluokan tietokoneissa sekä palvelimissa. Lisäksi NVMe on suunniteltu kehittymään ajan myötä, mikä mahdollistaa päivitykset ja laajennetut ominaisuudet uusien laiteohjelmisto- ja spesifikaatioversioiden avulla.

Toinen keskeinen näkökohta on, että NVMe ei rajoitu "paikalliseen" PCIe-verkkoon: on olemassa NVMe over Fabrics (NVMe-oF) , jonka avulla tätä protokollaa voidaan laajentaa erityyppisiin verkkoihin, kuten Ethernet, Fibre Channel tai InfiniBand. Tämä avaa oven verkkotallennusarkkitehtuureille, joiden suorituskyky on hyvin lähellä paikallisen levyn suorituskykyä, mutta hajautetun järjestelmän joustavuudella.

Fyysiset formaatit ja NVMe-asematyypit

Kun puhumme NVMe:stä, emme viittaa pelkästään protokollaan, vaan myös erilaisiin fyysisiin SSD-formaatteihin , jotka sitä käyttävät. Yleisimmät kuluttajatietokoneissa ja ammattiympäristöissä ovat seuraavat:

Toisaalta meillä on M.2-muodossa olevia NVMe SSD -levyjä , jotka ovat erittäin suosittuja nykyaikaisissa kannettavissa ja pöytätietokoneissa. Ne ovat muodoltaan pitkänomaisia ​​liuskoja (samanlaisia ​​kuin purukumin pala), jotka kytketään suoraan emolevyyn ilman kaapeleita, mikä säästää tilaa ja parantaa ilmankiertoa tietokoneen kotelossa.

Ammattiympäristöissä käytetään laajalti U.2- tai U.3- asemia . Nämä ovat samanlaisia ​​kuin 2,5-tuumaiset levyt, ja niitä voidaan palvelimissa vaihtaa käytön aikana, mikä on välttämätöntä ylläpidon ja nopean vaihdon kannalta ilman koneen sammuttamista.

Saatavilla on myös PCIe AIC (Add-in Card) -kortteja , jotka asennetaan suoraan PCIe-paikkaan aivan kuten näytönohjaimet. Tätä muotoa käytetään pääasiassa erittäin tehokkaaseen tallennukseen tai useiden NVMe-asemien asentamiseen yhdelle kortille huippuluokan palvelimissa.

Kuluttajamarkkinoilla M.2-formaatti on standardoitu useilla kokovaihtoehdoilla, joiden leveys on sama 22 mm, mutta pituus vaihtelee. Näitä ovat 2230-, 2242-, 2260-, 2280- ja 22110 -asemat , joissa kaksi ensimmäistä numeroa osoittavat leveyden (22 mm) ja seuraavat kaksi pituutta millimetreinä. Nykyään yleisin formaatti on 2280, jota käytetään valtaosassa emolevyjä ja kannettavia tietokoneita.

Koon lisäksi on otettava huomioon M.2-liittimen tyyppi . Liittimiä on kolmea päätyyppiä: M-Key, B-Key ja B+M-Key. M-Key-liitintä käytetään NVMe-asemissa, jotka käyttävät PCIe-väyliä (yleensä x4), B-Key-liitintä rajoitetumpiin laitteisiin (esimerkiksi PCIe x2 tai tietyt tietoliikennemoduulit), ja B+M-Key-liitintä käytetään pääasiassa SATA-pohjaisissa SSD-levyissä, joiden nopeus on maltillisempi.

NVMe- ja SATA SSD -levyjen (ja muiden protokollien) erot

Arkikielessä sanomme usein "minulla on SSD" viitataksemme SATA-liitännän kautta kytkettyyn SSD-levyyn . SATA-liitäntää käytetään myös vanhemmissa mekaanisissa kiintolevyissä. Tämä harppaus eteenpäin merkitsi jo valtavaa parannusta käynnistys- ja ohjelmien latausajoissa, mutta SATA III -liitännän teoreettinen raja on noin 600 Mt/s, joka on jo täysin loppumassa.

Kun puhumme NVMe SSD -levystä, puhumme edelleen SSD-levystä, mutta radikaalilla muutoksella: SATA-portin sijaan se kytketään PCI Express -väylään ja kommunikoi NVMe-protokollan avulla. Tämä yhdistelmä mahdollistaa useita kertaluokkia suuremmat nopeudet kuin perinteinen SATA SSD -levy.

Käytännössä SATA SSD -levyn peräkkäiset luku- ja kirjoitusnopeudet ovat tyypillisesti noin 500–550 Mt/s , kun taas PCIe 3.0 -väylään kytketty NVMe-asema voi saavuttaa noin 3 500 Mt/s nopeudet, ylittää 7 000 Mt/s PCIe 4.0: ssa ja lähestyä 14 000 Mt/s PCIe 5.0:ssa . Tämä tarkoittaa 10–20 kertaa suurempia nopeuksia peräkkäisissä siirtotilanteissa.

Mutta MB/s nopeus ei ole kaikki kaikessa. NVMe loistaa erityisesti IOPS:ssa (tulo-/lähtöoperaatiot sekunnissa) ja latenssissa. Rinnakkaisten komentojonojensa ja modernin suunnittelunsa ansiosta NVMe SSD voi helposti ylittää kaksi miljoonaa IOPS:ia ja olla jopa 900 % nopeampi kuin AHCI-asema tietyissä työkuormissa.

Perinteisesti palvelimissa käytettyyn SAS-muistiin verrattuna NVMe tarjoaa huomattavasti paremman suorituskyvyn pienemmällä virrankulutuksella ja yhä yksinkertaisemmalla toteutuksella. SAS:lla on edelleen oma markkinarakonsa, mutta tehokkaiden flash-tallennustilojen osalta NVMe:stä on tullut tosiasiallinen alan standardi.

Käyttäjäkokemuksen kannalta tämä tarkoittaa käyttöjärjestelmän käynnistymistä muutamassa sekunnissa , sovellusten lähes välitöntä avautumista, videopelien karttojen ja tekstuurien lataamista ilman pitkiä odotusnäyttöjä ja raskaiden toimintojen (kopiointi, purkaminen, muokkaus) suorittamista murto-osassa ajasta.

Miten NVMe toimii saavuttaakseen niin suuret nopeudet?

Ymmärtääksesi, miksi NVMe on niin nopea, sinun on tarkasteltava, miten se hallitsee syöte-/tulostuskomentojonoja . Aina kun järjestelmän on luettava tai kirjoitettava dataa, se lähettää pyynnön, joka asetetaan jonoon. NVMe:n avulla järjestelmä ei ole rajoitettu yhteen lyhyeen jonoon, vaan siinä voi olla kymmeniätuhansia jonoja, joissa kussakin on kymmeniätuhansia pyyntöjä.

Tämä rakenne mahdollistaa toimintojen jakamisen eri suorittimen ytimien kesken , mikä vähentää esto- ja odotusaikoja. Yhden ytimen käsitellessä yhtä jonoa toinen voi samanaikaisesti käsitellä toista, mikä sopii täydellisesti nykyisten pöytätietokoneiden ja palvelinprosessoreiden moniydinarkkitehtuuriin.

SSD-levyn sisällä keskeinen komponentti on flash-ohjain , mikrokontrolleri, joka käyttää NVMe-protokollaa ja hallinnoi NAND-muistisirujen käyttöä. Tämä ohjain toimii samalla tavalla kuin RAM-ohjain, mutta se käsittelee pysyvää muistia ja hallitsee kulumisen tasausta, virheenkorjausta ja sisäistä tiedon organisointia.

Tämän rakenteen ansiosta protokollan resursseja eniten kuluttavat vaiheet delegoidaan itse SSD-levylle, mikä vapauttaa järjestelmän pääprosessorin suuresta osasta työmäärää. Tuloksena on pienempi prosessorin syklien määrä I/O-toimintoa kohden, mikä vaikuttaa sekä kokonaissuorituskykyyn että energiatehokkuuteen.

Lisäksi, koska NVMe ei sisällä mekaanisten kiintolevyjen perinnettä, se poistaa mekaanisiin odotusaikoihin, sektorien uudelleenjärjestämiseen ja muihin historiallisiin rajoituksiin liittyvät latenssit. Kaikki on suunniteltu niin, että käyttö on mahdollisimman suoraa ja että nykyaikaisen flash-muistin ominaisuuksia voidaan hyödyntää täysimääräisesti.

NVMe-tallennustilan tärkeimmät edut

NVMe-levyn ensimmäinen merkittävä etu on sen raaka suorituskyky . SATA III:n noin 0,6 Gt/s:n nopeuteen verrattuna PCIe x4 -liitännällä varustettu NVMe-levy voi saavuttaa 4 Gt/s:n nopeuden aiempien PCIe-sukupolvien kanssa, yli 7 Gt/s:n nopeuden PCIe 4.0:n kanssa ja lähes 14 Gt/s:n nopeuden PCIe 5.0:n kanssa. Nämä luvut edustavat jättimäistä harppausta missä tahansa tehtävässä, jossa tallennustila on pullonkaula.

Toinen etu on erittäin alhainen latenssi . Suora yhteys suorittimeen ja RAM-muistiin sekä rinnakkaisten jonojen hyödyntäminen lyhentävät vasteaikaa huomattavasti. Tämä on kriittistä sovelluksissa, joissa jokainen millisekunti on tärkeä, kuten paljon liikennöidyissä tietokannoissa, tuhansien samanaikaisten käyttäjien verkkopalveluissa, kaupankäynnissä, reaaliaikaisessa data-analyysissä tai tekoälyympäristöissä.

NVMe erottuu myös energiatehokkuutensa ansiosta . Suorittaakseen samat tehtävät kuin SATA SSD tai SCSI-pohjainen järjestelmä, se vaatii vähemmän suorittimen toimintoja ja vähemmän fyysisiä laitteita saman suorituskyvyn saavuttamiseksi. Datakeskuksessa tämä tarkoittaa pienempää virrankulutusta, vähäisempää lämmöntuotantoa ja pienempiä jäähdytystarpeita.

Fyysisellä tasolla NVMe SSD -levyt, erityisesti M.2-muodossa, vievät hyvin vähän tilaa . Tämä on mahdollistanut emolevyvalmistajien lisätä useita M.2-paikkoja suoraan piirilevylle ja vähentää SATA-kaapeleiden aiheuttamaa sotkua kotelon sisällä. Kannettavissa tietokoneissa kompakti koko on ihanteellinen ohuille ja kevyille järjestelmille, joilla on suuri tallennuskapasiteetti.

Toinen etu on skaalautuvuus . NVMe-oF:n ansiosta samaa protokollaa voidaan käyttää eri verkoissa, kuten Ethernetissä tai Fibre Channelissa, mikä laajentaa NVMe-suorituskykyä palvelinrungon ulkopuolelle. Tämä avaa oven jaettuihin tallennusratkaisuihin, joilla on erittäin pieni viive ja suorituskyky, joka on aiemmin ollut saatavilla vain erittäin erikoistuneissa järjestelmissä.

Lopuksi, NVMe on suunniteltu pitkäaikaiseksi standardiksi . Sen spesifikaatio tukee laiteohjelmistopäivityksiä ja uusia ominaisuuksia ilman täydellistä arkkitehtuurin uudistusta, minkä ansiosta valmistajat voivat parantaa kiintolevyjään ajan myötä ja sisällyttää edistysaskeleita, kuten vyöhykkeellisiä nimiavaruuksia (ZNS), edistyneitä tietoturvaominaisuuksia ja etäkäynnistyksen tukea.

Haitat ja huomioon otettavat seikat ennen NVMe:n valitsemista

Kyse ei ole pelkästään eduista, ja kannattaa ottaa huomioon joitakin rajoituksia ja vaatimuksia ennen NVMe SSD -levyn ostamista. Ensimmäinen on yhteensopivuus: ei riitä, että emolevyssäsi on M.2-paikka ; kyseisen paikan on tuettava erityisesti PCIe/NVMe-liitäntää eikä vain SATA-liitäntää.

Luotettavin tapa tarkistaa tämä on etsiä tarkka emolevyn malli käyttöoppaasta, valmistajan verkkosivuilta tai käyttää työkaluja, kuten dxdiag ja muita diagnostiikkaohjelmia. Monissa vanhemmissa emolevyissä on M.2-paikat vain SATA-asemille, ja siinä tapauksessa NVMe SSD ei joko toimi tai BIOS/UEFI ei tunnista sitä.

Sinun on myös tarkistettava emolevyn ja prosessorin tukema PCI Express -versio . Jos järjestelmäsi tukee vain PCIe 3.0:aa, PCIe 5.0 -aseman ostaminen ei anna sinulle parempaa suorituskykyä kuin PCIe 3.0- tai 4.0-asema, vaikka se onkin yhteensopiva useimmissa tapauksissa, koska versiot ovat yleensä taaksepäin yhteensopivia signaalitasolla.

Toinen käytännön näkökohta on lämmönhallinta . NVMe-asemat, erityisesti nopeammat, voivat kuumentua melkoisesti täydellä kapasiteetilla toimiessaan. Siksi monissa nykyaikaisissa emolevyissä on erilliset jäähdytyselementit M.2-paikoille, ja monissa huippuluokan SSD-levyissä on oma passiivinen jäähdytysjärjestelmä estääkseen lämpökuristuksen aiheuttamat suorituskykyhäviöt.

Hinta, vaikka se onkin laskenut merkittävästi viime vuosina, on NVMe silti jonkin verran kalliimpi kuin SATA samassa kapasiteetissa. Suorituskykyero on kuitenkin niin huomattava, että useimmissa tapauksissa se oikeuttaa pienet lisäkustannukset enemmän kuin hyvin, varsinkin jos käytät tietokonetta vaativiin tehtäviin tai jos aika on kriittinen tekijä työssäsi.

Lopuksi on otettava huomioon PCIe-kaistojen käyttö . Jokainen NVMe SSD -levy käyttää tietyn määrän PCIe-kaistoja (yleensä x4), jotka jaetaan muiden laitteiden, kuten näytönohjaimen, nopeiden verkkokorttien tai lisäohjainten, kanssa. Järjestelmissä, joissa on vähän käytettävissä olevia PCIe-kaistoja, on tärkeää suunnitella huolellisesti, kuinka monta laitetta asennetaan, jotta ne eivät lopu kesken.

Käyttötapaukset: milloin NVMe SSD on hintansa arvoinen

Ammattimaisissa ympäristöissä NVMe on käytännössä oletusvalinta tietokannoille, virtualisoinnille ja web-palveluille . Sen lyhyet vasteajat ja kyky käsitellä tuhansia samanaikaisia ​​pyyntöjä tekevät sovelluksista, kuten verkkokaupasta, CRM:stä, ERP:stä ja data-analyytikasta, paljon sujuvamman ja tukevat useampia samanaikaisia ​​käyttäjiä.

Pilvilaskennan maailmassa NVMe mahdollistaa virtuaalikoneiden ja konttien toimittamisen erittäin nopealla tallennuksella , mikä lyhentää käyttöönottoaikoja ja parantaa kriittisten sovellusten suorituskykyä. NVMe-oF mahdollistaa myös tämän suorituskyvyn jakamisen verkon yli minimaalisella häviöllä.

Kotikäyttäjille NVMe SSD on ihanteellinen vaihtoehto, jos pelaat moderneja pelejä , jotka lataavat jatkuvasti tekstuureja ja dataa, sillä se vähentää merkittävästi latausnäyttöjen määrää ja auttaa estämään levyn riittämättömän nopeuden aiheuttamaa nykimistä. Sitä suositellaan myös, jos työskentelet videoiden editoinnin, korkearesoluutioisen valokuvauksen tai musiikkituotannon parissa, johon liittyy useita suuria tiedostoja.

Järjestelmä tuntuu kaiken kaikkiaan reagoivammalta jopa jokapäiväisissä tuottavuustehtävissä, kuten verkkoselailussa, toimistosovellusten käytössä tai sähköpostin hallinnassa . Sovellukset avautuvat välittömästi, järjestelmä ei viivyttele, vaikka useita välilehtiä tai ohjelmia olisi auki, ja päivitykset ja varmuuskopiot valmistuvat paljon nopeammin.

Jos käytät tällä hetkellä SATA SSD -levyä ja emolevysi tukee NVMe-tekniikkaa, parannus on yleensä huomattava latausajoissa ja kokonaissuorituskyvyssä, erityisesti käytettäessä vaativia ohjelmistoja tai suoritettaessa intensiivistä moniajoa. Monille käyttäjille se on yksi merkittävimmistä suorituskyvyn parannuksista, joita voit tehdä tietokoneeseen vaihtamatta prosessoria.

NVMe nykypäivän ja tulevaisuuden standardina

Kaiken edellä mainitun ansiosta NVMe on vakiinnuttanut asemansa uuden sukupolven tallennusratkaisujen perustana . Sen laaja käyttöönotto kannettavissa tietokoneissa, pöytätietokoneissa ja datakeskuksissa yhdistettynä PCIe:n jatkuvaan kehitykseen (Gen4, Gen5 ja tulevat versiot) vakiinnuttaa sen aseman teknologiana, jolle nykypäivän tehokkaat järjestelmät rakennetaan.

Datankäsittelytarpeiden kasvaessa esimerkiksi tekoälyn, big datan sekä virtuaali- ja lisätyn todellisuuden aloilla I/O-vaatimukset nousevat pilviin. NVMe tarjoaa nopeuden, viiveen ja skaalautuvuuden yhdistelmän, jota tarvitaan näiden sovellusten toimimiseen ilman tallennustilaan sidotusta.

Mahdollisuus päivittää laiteohjelmistoa ja sisällyttää uusia ominaisuuksia itse standardiin varmistaa, että NVMe pystyy jatkossakin sopeutumaan alan muutoksiin tulevina vuosina ilman, että pyörää tarvitsee keksiä uudelleen täysin uudella protokollalla. Tällä hetkellä ei näytä olevan lähitulevaisuuden vaihtoehtoa, joka syrjäyttäisi sen lyhyellä tai keskipitkällä aikavälillä.

Viime kädessä NVMe SSD -levyn valitseminen tänään tarkoittaa järjestelmän varmistamista, että se on valmis vuosiksi eteenpäin ja että siinä on riittävästi suorituskykyä uusien käyttöjärjestelmäversioiden, pelien ja ammattimaisten sovellusten tukemiseen ilman, että tallennustilasta tulee pullonkaula. Jos emolevysi on yhteensopiva ja budjettisi sallii, se on yksi niistä päivityksistä, jotka huomaat heti ensimmäisestä käynnistyksestä lähtien.

Aiheeseen liittyvä artikkeli:

SSD-levyn asentaminen kannettavaan tietokoneeseen: täydellinen opas testeineen ja vinkkeineen