- NVMe は、PCIe を活用した SSD 向けに設計されたプロトコルで、SATA や SAS に比べて何千ものコマンド キューと非常に低いレイテンシを実現します。
- NVMe SSD は、SATA SSD と比較して転送速度と IOPS が向上し、使用する PCIe バージョンに応じて最大 7.000～14.000 MB/秒の読み取り速度を実現します。
- エネルギー効率、物理的なフットプリントの小ささ、およびスケーラビリティ (NVMe-oF を含む) により、PC およびデータ センターの高性能ストレージの標準となっています。
- NVMe を活用するにはマザーボードの互換性と優れた冷却機能が必要ですが、スムーズさと読み込み時間の飛躍的な向上は、通常、投資を正当化する以上のものになります。
コンピュータのアップグレードや超高速サーバーの設置をお考えなら、 適切なタイプのストレージを選択する CPUやRAM自体と同じくらい重要です。長年、SATA SSDは機械式ハードドライブの代名詞的な進歩でしたが、新たなプレーヤーの登場により、その革命は失敗に終わりました。 NVMeストレージ.
このテクノロジーは速度をわずかに向上させるだけではありません。 システムがデータにアクセスする方法を完全に変更しますほぼ瞬時の起動時間、超高速なゲーム読み込み、超高速データベース、そして同じハードウェアで大幅に多くのトラフィックを処理できるサーバー。NVMeとは何か、どのように機能するのか、SATAやSASとの違い、そして家庭用PCや業務用環境にどのような真のメリットをもたらすのか、詳しく見ていきましょう。
NVMe ストレージとは何でしょうか?
NVMe (不揮発性メモリエクスプレス) これは、ゼロから設計された通信プロトコルであり、 NANDフラッシュなどの最新の不揮発性メモリインターフェースレーンを活用して PCIエクスプレス（PCIe）もともと機械式ハードドライブ用に設計された SATA や SAS とは異なり、NVMe は、SSD の速度、並列性、低レイテンシを最大限に高めるという明確なアイデアに基づいて作成されました。
NVMe SSDがシステムに接続されると、 それは直接的に マザーボードのPCIeバスAHCIのように中間コントローラーを経由する必要がなく、CPUやRAMとの直接的な通信が可能になるため、従来のインターフェースに特有のボトルネックを回避し、応答時間を数マイクロ秒に短縮できます。
NVMeのもう一つの重要な特徴は、管理能力です。 複数の入出力（I/O）キューこの規格は最大64.000個のキューをサポートし、各キューは最大64.000個の同時コマンドを処理できます。これにより、PCとサーバーの両方で最新のマルチコアプロセッサを最大限に活用し、膨大な数のリクエストを並列処理できます。
一方、SATAで使用されるAHCIなどの従来のプロトコルでは、 32個のコマンドを持つキューこれは、同時に多数の読み取りおよび書き込み操作が行われる場合の待機時間、レイテンシの増加、コンピューティング能力の利用率の低下につながりますが、これは最新のアプリケーション、データベース、または仮想化でますます一般的になっています。
NVMeの開発は、 2008と2011 明確な目標：速度と効率が極めて重要なシナリオにおいて、SATAとSASを置き換えること。その利点は明白であり、この規格は、高度な家庭用コンピューターとデータセンター環境の両方において、高性能ストレージのベンチマークとなっています。
NVMeとPCI Expressインターフェースの関係
NVMeが従来の技術に比べて優れている点の1つは、 PCIeレーンに直接依存している システムの。 PCIeは膨大な帯域幅を提供する さらに、多くの場合、IOMMU などの追加のレイヤーを経由せずにデバイスが RAM と通信できるため、レイテンシとプロセッサ リソースの消費がさらに削減されます。
この直接接続により、NVMe SSDは RAMとCPUで非常に高速にデータを交換しますこれは、大きなファイルや連続したデータストリームを扱う際に非常に重要です。例えば、次のようなタスクでは特に重要です。 4Kまたは8Kビデオ編集ビデオ ゲームの 3D テクスチャ レンダリング、プロフェッショナル 3D モデリング、または大量の情報の分析。
PCIe接続SSDの初期の頃は、 非常に特殊なファームウェア 標準化の欠如により、バスの潜在能力が十分に活用されていませんでした。この問題を解決するために、オペレーティングシステムとSSDが統一的かつ効率的で拡張可能な方法で通信する方法を定義するNVMeプロトコルが開発されました。
このプロトコルのおかげで、メーカー間で共通のエコシステムがすでに確立されています。 NVMeドライブはSSDの主流となった 最新のミッドレンジおよびハイエンドPC、そしてサーバーにも採用されています。さらに、NVMeは時間の経過とともに進化するように設計されており、新しいファームウェアバージョンや仕様を通じて機能のアップデートと拡張が可能です。
もう 1 つの重要な点は、NVMe が「ローカル」 PCIe に限定されないことです。 NVMe over Fabrics (NVMe-oF)が存在するこれにより、プロトコルはイーサネット、ファイバーチャネル、InfiniBandといった異なる種類のネットワークに拡張可能となり、ローカルドライブに極めて近いパフォーマンスと分散システムの柔軟性を兼ね備えたネットワークストレージアーキテクチャの実現が可能になります。
物理フォーマットとNVMeドライブの種類
NVMeについて話すとき、私たちはプロトコルだけでなく、 さまざまな物理SSDフォーマット ユーザーが使用する機器やプロフェッショナル環境で最も一般的なものは次のとおりです。
一方ではNVMe SSDが M.2フォーマット最近のノートパソコンやデスクトップパソコンで非常に人気があります。細長いストリップ状（チューインガムの錠剤のような形状）で、ケーブルを使わずにマザーボードに直接接続できるため、スペースを節約し、PCケース内のエアフローを改善します。
専門分野では単位が広く使われている U.2 または U.3これは 2,5 インチ ディスクに似ており、サーバー内でのホットスワップを可能にします。これは、マシンの電源を切らずにメンテナンス作業や素早い交換を行うために不可欠です。
カードもあります PCIe AIC（アドインカード）これらはグラフィックカードと同様にPCIeスロットに直接取り付けられます。このフォーマットは主に 非常に高性能なストレージ または、ハイエンド サーバーの同じカードに複数の NVMe ドライブをマウントすることもできます。
国内用途では、M.2フォーマットは幅22mmで長さが異なる様々なサイズで標準化されています。そのため、ユニットは 2230、2242、2260、2280、22110最初の2桁は幅（22mm）、次の2桁は長さ（mm）を表します。現在最も普及している形式は2280で、ほとんどのマザーボードやノートパソコンに採用されています。
サイズに加えて、 M.2コネクタタイプ主に3つのバリエーション、M-Key、B-Key、B+M-Keyがあります。M-KeyコネクタはPCIeレーン（通常はx4）を使用するNVMeドライブに使用され、B-Keyはより限定的なデバイス（例えばPCIe x2や特定の通信モジュール）に使用され、B+M-Keyは主に速度が比較的低いSATAベースのSSDに使用されます。
NVMeとSATA SSD（およびその他のプロトコル）の違い
日常会話では「SSDを持っています」と言うことがよくあります。 SATA経由で接続されたソリッドステートドライブ古い機械式ハードドライブで使用されていたのと同じコネクタです。この飛躍的な進歩は、起動時間とプログラムの読み込み時間の大幅な改善を示していましたが、SATA IIIインターフェースの理論上の限界は約600MB/秒であり、既に完全に限界に達しています。
について話すとき NVMe SSD 依然としてソリッドステートドライブ（SSD）ですが、SATAポートではなくPCI Expressバスに接続し、NVMeプロトコルで通信する点が根本的に異なります。この組み合わせにより、従来のSATA SSDよりも桁違いに高速な転送速度を実現します。
実用的には、SATA SSDは 500～550 MB/秒 シーケンシャル読み取りおよび書き込み速度の場合、PCIe 3.0 上の NVMe ドライブは約 3.500 MB/秒で移動できます。 PCIe 4.0 克服する 7.000 MB /秒 PCIe 5.0のアプローチでは 14.000 MB /秒順次転送シナリオでは 10 ～ 20 倍高速になります。
しかし、MB/秒の速度がすべてではありません。NVMeは特に IOPS（1秒あたりの入出力操作数） レイテンシも向上しました。並列コマンドキューと最新設計により、NVMe SSDは200万IOPSを簡単に超え、特定のワークロードではAHCIドライブよりも最大900%高速化します。
従来サーバーで使用されてきたSASと比較して、NVMeは 消費電力を抑えながら大幅に高いパフォーマンスを実現 実装はますます簡素化されています。SAS は依然としてニッチな市場ですが、高性能 NVMe フラッシュストレージにおいては事実上の業界標準としての地位を確立しています。
ユーザーエクスペリエンスの観点から言えば、これはオペレーティングシステムに反映される。 数秒以内に開始されます。アプリケーションはほぼ瞬時に起動し、ビデオ ゲームは長い待ち画面なしでマップやテクスチャを読み込み、大きなファイルを使った重い操作 (コピー、解凍、編集) はほんのわずかな時間で実行されます。
NVMe はどのようにしてこのような高速性を実現するのでしょうか?
NVMeがなぜそんなに速いのかを理解するには、それがどのように管理しているかを見る必要があります。 入力および出力コマンドキューシステムがデータの読み取りまたは書き込みを必要とするたびに、リクエストが送信され、キューに格納されます。NVMeでは、システムは単一の短いキューに限定されず、数万個のキューと、各キューに数万個のリクエストを配置できます。
この構造により、 異なるCPUコア間で操作を分散するこれにより、ブロッキングと待機時間が削減されます。1つのコアが1つのキューを処理している間、別のコアが同時に別のキューを処理できるため、現在のデスクトップおよびサーバープロセッサのマルチコアアーキテクチャに完全に適合します。
SSD自体の重要なコンポーネントは フラッシュコントローラーNVMeプロトコルを実行し、NANDメモリチップへのアクセスを調整するマイクロコントローラー。このコントローラーはRAMコントローラーと同様に機能しますが、不揮発性メモリと連携し、ウェアレベリング、エラー訂正、内部データ構成を管理します。
このデザインのおかげで、 プロトコルの最も要求の厳しい段階 これらのタスクはSSD自体に委任されるため、システムのメインCPUの作業負荷が大幅に軽減されます。その結果、I/O操作あたりのプロセッササイクル数が減少し、全体的なパフォーマンスとエネルギー効率の両方が向上します。
さらに、NVMeは機械式ハードドライブのレガシーを継承していないため、機械的な待機時間、セクターの並べ替え、その他の従来の制限に伴うレイテンシを排除します。すべては、アクセスを可能な限り直接的にし、最新のフラッシュメモリの機能を最大限に活用するように設計されています。
NVMeストレージの主な利点
NVMeの第一の大きな利点は 粗利回りSATA IIIの約0,6GB/秒と比較すると、PCIe x4のNVMeドライブは、旧世代のPCIeでは4GB/秒、PCIe 4.0では7GB/秒以上、PCIe 5.0では14GB/秒近くまで到達します。これらの数値は、ストレージがボトルネックとなるあらゆるタスクにおいて、大きな飛躍を意味します。
もうXNUMXつの利点は 非常に低いレイテンシーCPUとRAMへの直接リンクと並列キューの活用により、応答時間が大幅に短縮されます。これは、高トラフィックのデータベース、数千人の同時ユーザーを抱えるWebサービス、トレーディング、リアルタイムデータ分析、人工知能環境など、1ミリ秒単位の応答が重要となるアプリケーションにおいて非常に重要です。
NVMeは、 エネルギー効率SATA SSDやSCSIベースのシステムと同じタスクを実行する場合、CPUレベルの操作と物理デバイスの数が少なくて済み、同等のパフォーマンスを実現できます。データセンターでは、消費電力、発熱量、冷却要件の低減につながります。
物理的なレベルでは、NVMe SSD、特にM.2フォーマットでは、 スペースを取らないこれにより、マザーボードメーカーはPCBに直接複数のM.2スロットを追加し、ケース内でのSATAケーブルの絡まりを軽減できるようになりました。ノートパソコンでは、コンパクトなサイズは、大容量ストレージを備えた薄型軽量システムに最適です。
もう一つのプラスポイントは、 スケーラビリティNVMe-oFのおかげで、イーサネットやファイバーチャネルなどのネットワーク上で同じプロトコルを使用できるため、NVMeのパフォーマンスをサーバーシャーシ自体を超えて拡張できます。これにより、これまでは高度に専門化されたシステムでしか実現できなかった、非常に低レイテンシで高パフォーマンスな共有ストレージソリューションが実現可能になります。
最後に、NVMeは次のように設計されています。 長期的な基準この仕様では、アーキテクチャ全体の変更を必要とせずにファームウェアの更新と新機能がサポートされているため、メーカーは時間の経過とともにドライブを改良し、ゾーン化された名前空間 (ZNS)、高度なセキュリティ機能、リモート ブート サポートなどの進歩を組み込むことができます。
NVMeを選択する前に考慮すべきデメリットと考慮事項
すべてが利点というわけではなく、考慮すべき点もいくつかあります。 制限と要件 NVMe SSDを購入する前に、まず考慮すべきことは互換性です。マザーボードに互換性があるだけでは十分ではありません。 M.2スロットこのスロットは、SATA だけでなく、特に PCIe/NVMe をサポートする必要があります。
これを確認する最も信頼できる方法は 正確なマザーボードモデルを確認する この情報は、マニュアル、メーカーのウェブサイト、またはdxdiagなどの診断ユーティリティで確認できます。古いマザーボードの多くは、SATAドライブ専用のM.2スロットを搭載しており、その場合、NVMe SSDは動作しないか、BIOS/UEFIで認識されません。
また、 PCI Expressバージョン マザーボードとプロセッサがサポートしている必要があります。お使いのコンピューターがPCIe 3.0のみをサポートしている場合、PCIe 5.0ドライブを購入しても、PCIe 3.0や4.0ドライブよりもパフォーマンスが向上するわけではありません。ただし、信号レベルでは下位互換性があるため、ほとんどの場合互換性があります。
もう一つの実際的な側面は、 熱NVMeドライブ、特に高速なものは、フル稼働時にかなり高温になることがあります。そのため、多くの最新のマザーボードにはM.2スロット専用のヒートシンクが搭載されており、多くのハイエンドSSDには、サーマルスロットリングによるパフォーマンスの低下を防ぐための独自のパッシブ冷却システムが組み込まれています。
価格に関しては、近年かなり下がってきたものの、 NVMeはまだSATAよりもやや高価です 同等の容量ですが、パフォーマンスの違いは非常に大きいため、特に要求の厳しい作業に機器を使用する場合や、作業時間が重要な要素となる場合は、ほとんどの場合、わずかな追加コストを十分に補うことができます。
最後に、 PCIeレーンの使用各NVMe SSDは一定数のPCIeレーン（通常はx4）を消費し、グラフィックカード、高速ネットワークカード、追加コントローラーなどの他のデバイスと共有されます。利用可能なPCIeレーンが少ないシステムでは、スペース不足を避けるために、インストールするデバイスの数を慎重に計画する必要があります。
ユースケース: NVMe SSD が価値のある場合
プロフェッショナル環境では、NVMeは事実上デフォルトのオプションです。 データベース、仮想化、Webサービス応答時間が最小限に抑えられ、数千の同時リクエストを処理できるため、電子商取引、CRM、ERP、データ分析などのアプリケーションがよりスムーズに実行され、より多くの同時ユーザーをサポートできます。
クラウドコンピューティングの世界では、NVMeを使用すると、 非常に高速なストレージを備えた仮想マシンとコンテナ導入時間を短縮し、重要なアプリケーションのパフォーマンスを向上させます。NVMe-oF により、このパフォーマンスを最小限の損失でネットワーク全体で共有することもできます。
個人ユーザーの場合、NVMe SSDは次の場合に最適です。 現代のゲームをプレイする テクスチャやデータを常に読み込むような環境に最適です。読み込み画面の回数を大幅に削減し、ディスク速度不足によるカクツキを防ぎます。また、動画編集、高解像度の写真撮影、大容量ファイルを多数扱う音楽制作などの作業にも特におすすめです。
ウェブの閲覧、オフィスソフトの使用、メールの管理など、日常的な生産性タスクでも、 システム全体の感覚としては、機敏性が向上したという印象です。アプリケーションは瞬時に開き、多くのタブやプログラムが開いているときにシステムが「考える」必要がなくなり、更新とバックアップが大幅に高速化されます。
現在SATA SSDを使用しており、マザーボードがNVMeをサポートしている場合、 このジャンプは通常かなり顕著である 特に負荷の高いソフトウェアを使用したり、集中的なマルチタスクを実行したりする場合、読み込み時間と全体的なスムーズさの面で大きな効果があります。多くのユーザーにとって、これはプロセッサを変更せずにPCに実現できる最も効果的なパフォーマンス向上の一つです。
現在と未来の標準としてのNVMe
上記のすべてにより、NVMeは次のような位置づけになっています。 新世代のストレージの基盤ノートパソコン、デスクトップ、データ センターでの大規模な採用と、PCIe (Gen4、Gen5、およびそれ以降の進化) の継続的な進化により、今日の高性能システムを構築するテクノロジーとしての地位を確立しています。
次のような分野でデータ処理の必要性が高まるにつれて、 人工知能、ビッグデータ、仮想現実、拡張現実I/O 要件は急増しています。NVMe は、ストレージに縛られることなくこれらのアプリケーションを実行するために必要な速度、レイテンシ、スケーラビリティの組み合わせを提供します。
ファームウェアを更新し、新しい機能を標準自体に組み込む機能により、 NVMe は今後何年も適応し続けることができます。 業界の変化に適応するために、全く新しいプロトコルを最初から作り直す必要はありません。現時点では、短期的または中期的にこれに取って代わる、近い将来に実現可能な代替手段は存在しないようです。
つまり、今日NVMe SSDを選択することは 今後数年間に備えたシステムを確保するためストレージがボトルネックになることなく、新しいオペレーティング システム、ゲーム、プロフェッショナル アプリケーションをサポートするのに十分なパフォーマンス ヘッドルームを備えているため、マザーボードに互換性があり、予算が許せば、最初の起動時からそのアップグレードに気付くことでしょう。
