Kas yra NVMe saugykla ir kokius pranašumus ji suteikia, palyginti su SATA?

Informatec Digital » Ištekliai » Kas yra NVMe saugykla ir kokius pranašumus ji suteikia, palyginti su SATA?

Jei galvojate apie kompiuterio atnaujinimą ar žaibiškai greito serverio kūrimą, tinkamo tipo saugyklos pasirinkimas yra beveik toks pat svarbus kaip procesoriaus ar RAM. Jau daugelį metų SATA SSD diskai buvo pagrindinis patobulinimas, palyginti su mechaniniais kietaisiais diskais, tačiau šią revoliuciją aplenkė naujo žaidėjo atsiradimas: NVMe saugykla.

Ši technologija ne tik šiek tiek padidina greitį: ji visiškai pakeičia tai, kaip sistema pasiekia duomenis . Beveik akimirksniu paleidžiama sistema, žaibiškai greitas žaidimų įkėlimas, itin greitos duomenų bazės ir serveriai, galintys apdoroti žymiai daugiau srauto su ta pačia įranga. Panagrinėkime atidžiau, kas yra NVMe, kaip jis veikia, kuo skiriasi nuo SATA ir SAS ir kokius realius privalumus jis suteikia namų kompiuteriui ar profesionaliai aplinkai.

Kas tiksliai yra NVMe saugykla?

NVMe (Non-Volatile Memory Express) yra ryšio protokolas, sukurtas nuo nulio, kad veiktų su šiuolaikine nepastoviąja atmintimi, pvz., NAND Flash , pasinaudojant PCI Express (PCIe) sąsajos juostomis . Skirtingai nuo SATA ar SAS, kurie iš pradžių buvo sukurti mechaniniams kietiesiems diskams, NVMe buvo sukurtas turint aiškų tikslą: maksimaliai padidinti SSD diskų greitį, lygiagretumą ir mažą delsą.

Kai NVMe SSD diskas prijungiamas prie sistemos, jis tiesiogiai jungiamas prie pagrindinės plokštės PCIe magistralės , nereikia eiti per tarpinius valdiklius, kaip AHCI. Šis tiesioginis kelias leidžia jam dideliu greičiu bendrauti su procesoriumi ir RAM, išvengiant senesnėms sąsajoms būdingų kliūčių ir sumažinant atsako laiką iki vos kelių mikrosekundžių.

Dar viena svarbi NVMe savybė yra galimybė valdyti kelias įvesties / išvesties (I/O) eiles . Standartas palaiko iki 64 000 eilių, ir kiekviena iš jų gali apdoroti iki 64 000 vienu metu vykdomų komandų. Tai leidžia lygiagrečiai apdoroti didžiulį užklausų skaičių, visapusiškai išnaudojant dabartinius kelių branduolių procesorius tiek kompiuteriuose, tiek serveriuose.

Tradiciniai protokolai, tokie kaip AHCI, naudojami SATA, leidžia vykdyti tik 32 komandų eilę . Dėl to pailgėja laukimo laikas, padidėja delsa ir skaičiavimo galia naudojama mažiau efektyviai, kai vienu metu atliekama daug skaitymo ir rašymo operacijų – tai vis dažniau pasitaiko šiuolaikinėse programose, duomenų bazėse ir virtualizacijoje.

NVMe buvo sukurtas 2008–2011 m., turint aiškų tikslą: pakeisti SATA ir SAS tais atvejais, kai greitis ir efektyvumas yra labai svarbūs. Jo privalumai buvo tokie akivaizdūs, kad standartas tapo didelio našumo saugojimo etalonu tiek pažangiuose namų kompiuteriuose, tiek duomenų centrų aplinkoje.

NVMe ir PCI Express sąsajos ryšys

Vienas iš pagrindinių NVMe pranašumų, palyginti su ankstesnėmis technologijomis, yra tai, kad jis tiesiogiai priklauso nuo sistemos PCIe linijų. PCIe siūlo didžiulį pralaidumą ir, be to, leidžia įrenginiui bendrauti su RAM daugeliu atvejų nenaudojant papildomų sluoksnių, tokių kaip IOMMU, taip dar labiau sumažinant delsą ir procesoriaus išteklių suvartojimą.

Šis tiesioginis ryšys leidžia NVMe SSD diskui labai greitai keistis duomenimis su RAM ir CPU , o tai labai svarbu tvarkant didelius failus arba nuolatinius duomenų srautus. Pavyzdžiui, tai ypač svarbu atliekant tokias užduotis kaip 4K arba 8K vaizdo įrašų redagavimas , 3D tekstūrų atvaizdavimas vaizdo žaidimuose, profesionalus 3D modeliavimas arba didelių informacijos kiekių analizė.

Ankstyvosiomis PCIe jungtimi prijungtų SSD diskų kūrimo dienomis reikėjo labai specifinės programinės įrangos ir standartizacijos nebuvo, todėl nebuvo išnaudojamas visas magistralės potencialas. Šiai problemai išspręsti buvo sukurtas NVMe protokolas, apibrėžiantis, kaip operacinė sistema ir SSD diskas bendrauja vienodai, efektyviai ir lengvai išplečiamai.

Dėl šio protokolo ir dėl to susidariusios bendros ekosistemos tarp gamintojų, NVMe diskai tapo dominuojančiu SSD tipu šiuolaikiniuose vidutinės ir aukštos klasės kompiuteriuose, taip pat serveriuose. Be to, NVMe buvo sukurtas taip, kad laikui bėgant vystytųsi, leisdamas atnaujinti ir išplėsti galimybes naudojant naują programinę-aparatinę įrangą ir specifikacijų versijas.

Kitas svarbus aspektas yra tai, kad NVMe neapsiriboja „vietiniu“ PCIe: yra NVMe over Fabrics (NVMe-oF) , kuris leidžia šį protokolą išplėsti per įvairių tipų tinklus, tokius kaip Ethernet, Fibre Channel arba InfiniBand. Tai atveria duris tinklo saugojimo architektūroms, kurių našumas labai artimas vietinio disko našumui, tačiau pasižymi paskirstytos sistemos lankstumu.

Fiziniai formatai ir NVMe diskų tipai

Kalbėdami apie NVMe, turime omenyje ne tik protokolą, bet ir skirtingus fizinius SSD formatus , kurie jį naudoja. Dažniausiai vartotojų kompiuteriuose ir profesionalioje aplinkoje jie yra šie:

Viena vertus, turime NVMe SSD diskus M.2 formatu , labai populiarius šiuolaikiniuose nešiojamuosiuose ir stacionariuose kompiuteriuose. Jie yra pailgos juostelės formos (panašios į kramtomosios gumos gabalėlį), kuri tiesiogiai jungiasi prie pagrindinės plokštės be laidų, taupydama vietą ir pagerindama oro srautą kompiuterio korpuse.

Profesionalioje aplinkoje plačiai naudojami U.2 arba U.3 diskai . Jie panašūs į 2,5 colio diskus ir serveriuose gali būti keičiami karštuoju būdu, o tai labai svarbu priežiūrai ir greitam pakeitimui neišjungiant kompiuterio.

Taip pat yra PCIe AIC (papildomų kortelių) kortelių , kurios, kaip ir vaizdo plokštės, įdiegiamos tiesiai į PCIe lizdą. Šis formatas daugiausia naudojamas labai našiam saugojimui arba keliems NVMe diskams montuoti vienoje kortelėje aukščiausios klasės serveriuose.

Vartotojų rinkoje M.2 formatas buvo standartizuotas ir yra sudarytas iš kelių dydžių, kurių plotis yra vienodas – 22 mm, bet ilgis skiriasi. Tai apima 2230, 2242, 2260, 2280 ir 22110 diskus , kur pirmieji du skaitmenys rodo plotį (22 mm), o kiti du – ilgį milimetrais. Šiandien labiausiai paplitęs formatas yra 2280, randamas daugumoje pagrindinių plokščių ir nešiojamųjų kompiuterių.

Be dydžio, reikia atsižvelgti ir į M.2 jungties tipą . Yra trys pagrindiniai variantai: M-Key, B-Key ir B+M-Key. M-Key jungtis siejama su NVMe diskais, kurie naudoja PCIe linijas (dažniausiai x4), B-Key – su labiau ribotais įrenginiais (pavyzdžiui, PCIe x2 arba tam tikrais ryšio moduliais), o B+M-Key daugiausia skirta SATA pagrindu veikiantiems SSD diskams, kurių greitis mažesnis.

NVMe ir SATA SSD diskų (ir kitų protokolų) skirtumai

Kasdienėje kalboje dažnai sakome „turiu SSD“, kai kalbame apie kietojo kūno diską, prijungtą per SATA – tą pačią jungtį, kurią naudoja senesni mechaniniai kietieji diskai. Šis šuolis į priekį jau reiškė didžiulį įkrovos ir programų įkėlimo laiko pagerėjimą, tačiau SATA III sąsajos teorinė riba yra apie 600 MB/s, kuri jau visiškai išnaudota.

Kalbėdami apie NVMe SSD, vis dar turime omenyje SSD diską, tačiau su radikaliu pokyčiu: vietoj SATA prievado jis jungiasi prie PCI Express magistralės ir bendrauja naudodamas NVMe protokolą. Šis derinys leidžia pasiekti keliais dydžio eilėmis didesnį greitį nei tradicinis SATA SSD.

Praktiškai, nors SATA SSD paprastai pasiekia apie 500–550 MB/s nuoseklųjį skaitymo ir rašymo greitį , NVMe diskas su PCIe 3.0 gali pasiekti apie 3.500 MB/s greitį, viršyti 7.000 MB/s su PCIe 4.0 ir pasiekti 14 000 MB/s su PCIe 5.0 . Tai reiškia, kad nuosekliojo perdavimo scenarijuose greitis yra 10–20 kartų didesnis.

Tačiau MB/s greitis nėra viskas. NVMe ypač išsiskiria IOPS (įvesties/išvesties operacijų per sekundę) ir delsos rodikliais. Dėl lygiagrečių komandų eilių ir modernaus dizaino NVMe SSD gali lengvai viršyti dviejų milijonų IOPS ir tam tikrose darbo apkrovose būti iki 900 % greitesnis nei AHCI diskas.

Palyginti su SAS, tradiciškai naudojamu serveriuose, NVMe pasižymi žymiai didesniu našumu, mažesnėmis energijos sąnaudomis ir vis paprastesniu įdiegimu. SAS vis dar turi savo nišą, tačiau didelio našumo „flash“ atmintinių srityje NVMe tapo faktiniu pramonės standartu.

Kalbant apie naudotojo patirtį, tai reiškia, kad operacinė sistema paleidžiama per kelias sekundes , programos atidaromos beveik akimirksniu, vaizdo žaidimai įkelia žemėlapius ir tekstūras be ilgų laukimo ekranų, o sudėtingos operacijos su dideliais failais (kopijavimas, išskleidimas, redagavimas) atliekamos per daug laiko.

Kaip NVMe veikia, kad pasiektų tokį didelį greitį?

Norint suprasti, kodėl NVMe yra toks greitas, reikia panagrinėti, kaip jis tvarko įvesties / išvesties komandų eiles . Kiekvieną kartą, kai sistemai reikia skaityti arba rašyti duomenis, ji siunčia užklausą, kuri įtraukiama į eilę. Naudojant NVMe, sistema neapsiriboja viena trumpa eile, bet gali turėti dešimtis tūkstančių eilių, kurių kiekvienoje yra dešimtys tūkstančių užklausų.

Ši struktūra leidžia paskirstyti operacijas tarp skirtingų procesoriaus branduolių , taip sumažinant blokavimo ir laukimo laiką. Kol vienas branduolys apdoroja vieną eilę, kitas tuo pačiu metu gali apdoroti kitą, o tai puikiai dera su dabartinių stalinių ir serverių procesorių kelių branduolių architektūra.

Pačiame SSD diske pagrindinis komponentas yra „flash“ valdiklis – mikrovaldiklis, kuris vykdo NVMe protokolą ir valdo prieigą prie NAND atminties lustų. Šis valdiklis veikia panašiai kaip RAM valdiklis, tačiau dirba su nepastoviąja atmintimi, valdo nusidėvėjimo lyginimą, klaidų taisymą ir vidinių duomenų tvarkymą.

Dėl šios konstrukcijos daugiausiai išteklių reikalaujantys protokolo etapai deleguojami pačiame SSD diske, taip atlaisvinant pagrindinį sistemos procesorių nuo didelės darbo krūvio dalies. Dėl to sumažėja procesoriaus ciklų skaičius vienai įvesties / išvesties operacijai, o tai turi įtakos tiek bendram našumui, tiek energijos vartojimo efektyvumui.

Be to, kadangi NVMe neturi mechaninių standžiųjų diskų palikimo, ji pašalina delsą, susijusią su mechaniniais laukimais, sektorių pertvarkymu ir kitais istoriniais apribojimais. Viskas sukurta taip, kad prieiga būtų kuo tiesioginė ir būtų galima visapusiškai išnaudoti šiuolaikinės „flash“ atminties funkcijas.

Pagrindiniai NVMe saugyklos privalumai

Pirmasis svarbus NVMe privalumas yra neapdorotas našumas . Palyginti su maždaug 0,6 GB/s SATA III sparta, NVMe diskas su PCIe x4 gali pasiekti 4 GB/s spartą su ankstesnėmis PCIe kartomis, daugiau nei 7 GB/s su PCIe 4.0 ir beveik 14 GB/s su PCIe 5.0. Šie skaičiai yra milžiniškas šuolis atliekant bet kokią užduotį, kurioje saugykla yra kliūtis.

Dar vienas privalumas – itin mažas delsos laikas . Tiesioginis ryšys su procesoriumi ir operatyviąja atmintimi bei lygiagrečių eilių panaudojimas leidžia gerokai sutrumpinti atsako laiką. Tai labai svarbu programose, kuriose svarbi kiekviena milisekundė, pavyzdžiui, didelio srauto duomenų bazėse, žiniatinklio paslaugose su tūkstančiais vienu metu veikiančių vartotojų, prekyboje, duomenų analizėje realiuoju laiku arba dirbtinio intelekto aplinkose.

NVMe taip pat išsiskiria savo energijos vartojimo efektyvumu . Norint atlikti tas pačias užduotis kaip ir SATA SSD arba SCSI pagrindu sukurta sistema, reikia mažiau procesoriaus operacijų ir mažiau fizinių įrenginių, kad būtų pasiektas tas pats našumas. Duomenų centre tai reiškia mažesnį energijos suvartojimą, mažesnį šilumos generavimą ir mažesnius aušinimo poreikius.

Fiziniu lygmeniu NVMe SSD diskai, ypač M.2 formos, užima labai mažai vietos . Tai leido pagrindinių plokščių gamintojams pridėti kelis M.2 lizdus tiesiai prie spausdintinės plokštės ir sumažinti SATA laidų raizgalą korpuso viduje. Nešiojamuosiuose kompiuteriuose kompaktiškas dydis idealiai tinka plonoms ir lengvoms sistemoms su didele atminties talpa.

Dar vienas privalumas – mastelio keitimas . Dėl NVMe-oF tas pats protokolas gali būti naudojamas tokiuose tinkluose kaip Ethernet ar Fibre Channel, todėl NVMe našumas viršija paties serverio korpuso ribas. Tai atveria duris bendro saugojimo sprendimams, pasižymintiems labai mažu delsos laiku ir našumu, kuris anksčiau buvo prieinamas tik labai specializuotose sistemose.

Galiausiai, NVMe buvo sukurtas kaip ilgalaikis standartas . Jo specifikacija palaiko programinės įrangos atnaujinimus ir naujas funkcijas nereikalaujant visiško architektūros pertvarkymo, todėl gamintojai gali laikui bėgant tobulinti savo diskus ir įtraukti tokius patobulinimus kaip zonuotos vardų erdvės (ZNS), pažangios saugumo funkcijos ir nuotolinio paleidimo palaikymas.

Trūkumai ir svarstytini dalykai prieš renkantis NVMe

Tai ne vien privalumai, ir prieš perkant NVMe SSD verta atsižvelgti į kai kuriuos apribojimus ir reikalavimus . Pirmasis yra suderinamumas: nepakanka, kad jūsų pagrindinėje plokštėje būtų M.2 lizdas ; tas lizdas turi palaikyti specialiai PCIe/NVMe, o ne tik SATA.

Patikimiausias būdas patikrinti – ieškoti tikslaus pagrindinės plokštės modelio vadove, gamintojo svetainėje arba naudojant tokius įrankius kaip „dxdiag“ ir kitas diagnostikos priemones. Daugelyje senesnių pagrindinių plokščių yra M.2 lizdai tik SATA diskams, todėl tokiu atveju NVMe SSD neveiks arba jo neatpažins BIOS / UEFI.

Taip pat turite patikrinti, kokią „PCI Express“ versiją palaiko jūsų pagrindinė plokštė ir procesorius. Jei jūsų sistema palaiko tik „PCIe 3.0“, „PCIe 5.0“ disko įsigijimas nesuteiks didesnio našumo nei „PCIe 3.0“ arba „4.0“ diskas, nors daugeliu atvejų jis bus suderinamas, nes versijos paprastai yra suderinamos atgal signalo lygiu.

Kitas praktinis aspektas yra šilumos valdymas . NVMe diskai, ypač greitesni, gali gerokai įkaisti, kai veikia visu pajėgumu. Štai kodėl daugelyje šiuolaikinių pagrindinių plokščių yra specialūs radiatoriai M.2 lizdams, o daugelyje aukščiausios klasės SSD diskų yra įmontuota pasyvi aušinimo sistema, kad būtų išvengta našumo nuostolių dėl šiluminio droselio.

Kalbant apie kainą, nors pastaraisiais metais ji gerokai sumažėjo, NVMe diskai vis dar yra šiek tiek brangesni nei SATA, turint tą pačią talpą. Tačiau našumo skirtumas yra toks didelis, kad daugeliu atvejų jis daugiau nei pateisina nedideles papildomas išlaidas, ypač jei kompiuterį naudojate sudėtingoms užduotims arba jei laikas yra labai svarbus jūsų darbe.

Galiausiai reikia atsižvelgti į PCIe juostų naudojimą . Kiekvienas NVMe SSD naudoja tam tikrą skaičių PCIe juostų (paprastai x4), kuriomis dalijamasi su kitais įrenginiais, pvz., vaizdo plokšte, didelės spartos tinklo plokštėmis arba papildomais valdikliais. Sistemose, kuriose yra mažai laisvų PCIe juostų, labai svarbu atidžiai suplanuoti, kiek įrenginių įdiegti, kad jų nepritrūktų.

Naudojimo atvejai: kada verta įsigyti NVMe SSD diską

Profesionalioje aplinkoje NVMe yra praktiškai numatytasis pasirinkimas duomenų bazėms, virtualizacijai ir žiniatinklio paslaugoms . Minimalus atsako laikas ir gebėjimas apdoroti tūkstančius vienu metu vykstančių užklausų leidžia tokioms programoms kaip el. prekyba, CRM, ERP ir duomenų analizė veikti daug sklandžiau ir palaikyti daugiau vienu metu veikiančių vartotojų.

Debesų kompiuterijos pasaulyje NVMe leidžia diegti virtualias mašinas ir konteinerius su itin greita saugykla , sutrumpinant diegimo laiką ir pagerinant svarbiausių programų našumą. NVMe-oF taip pat leidžia šiuo našumu dalytis tinkle su minimaliais nuostoliais.

Namų vartotojams NVMe SSD diskas idealiai tinka žaidžiant šiuolaikinius žaidimus , kurie nuolat įkelia tekstūras ir duomenis, nes jis žymiai sumažina įkėlimo ekranų skaičių ir padeda išvengti strigimo dėl nepakankamo disko greičio. Jis taip pat labai rekomenduojamas, jei dirbate su vaizdo įrašų redagavimu, didelės raiškos fotografija ar muzikos kūrimu, kuriame yra daug didelių failų.

Net ir atliekant kasdienes produktyvumo užduotis, tokias kaip naršymas internete, biuro programų naudojimas ar el. pašto tvarkymas, sistema veikia greičiau . Programos atidaromos akimirksniu, sistema nevėluoja, kai atidaryta daug skirtukų ar programų, o atnaujinimai ir atsarginės kopijos kuriamos daug greičiau.

Jei šiuo metu naudojate SATA SSD ir jūsų pagrindinė plokštė palaiko NVMe, pagerėjimas paprastai yra gana pastebimas įkėlimo laiko ir bendro našumo atžvilgiu, ypač naudojant sudėtingą programinę įrangą arba atliekant intensyvų daugiaprogramį darbą. Daugeliui vartotojų tai yra vienas reikšmingiausių našumo patobulinimų, kuriuos galite atlikti kompiuteryje nekeisdami procesoriaus.

NVMe kaip dabarties ir ateities standartas

Dėl viso to, kas išdėstyta pirmiau, NVMe tapo naujos kartos saugyklų pagrindu . Plačiai paplitęs nešiojamuosiuose ir staliniuose kompiuteriuose bei duomenų centruose, kartu su nuolatine PCIe evoliucija (4, 5 kartos ir būsimomis versijomis), jis įtvirtino savo, kaip technologijos, kuria grindžiamos šiandieninės didelio našumo sistemos, poziciją.

Didėjant duomenų apdorojimo poreikiams tokiose srityse kaip dirbtinis intelektas, didieji duomenys, virtuali ir papildyta realybė , įvesties / išvesties reikalavimai sparčiai auga. NVMe siūlo greičio, delsos ir mastelio keitimo derinį, reikalingą šioms programoms veikti nepririštoms prie saugyklos.

Galimybė atnaujinti programinę-aparatinę įrangą ir įtraukti naujas funkcijas į patį standartą užtikrina, kad NVMe daugelį metų galės toliau prisitaikyti prie pramonės pokyčių, nereikalaujant išradinėti dviračio iš naujo kuriant visiškai naują protokolą. Šiuo metu neatrodo, kad artimiausiu metu būtų alternatyva, kuri jį pakeistų trumpuoju ar vidutinės trukmės laikotarpiu.

Galiausiai, renkantis NVMe SSD diską šiandien, užtikrinama , kad sistema bus paruošta ilgam laikui , turės pakankamai našumo, kad palaikytų naujas operacinės sistemos versijas, žaidimus ir profesionalias programas, o saugykla netaptų kliūtimi. Jei jūsų pagrindinė plokštė suderinama ir biudžetas leidžia, tai vienas iš tų atnaujinimų, kuriuos pastebėsite nuo pat pirmojo paleidimo.

Susijęs straipsnis:

SSD diegimas nešiojamajame kompiuteryje: išsamus vadovas su testais ir patarimais