Kaj je NVMe shranjevanje in kakšne prednosti ponuja pred SATA?

Informatec Digital » Viri » Kaj je NVMe shranjevanje in kakšne prednosti ponuja pred SATA?

Če razmišljate o nadgradnji računalnika ali nastavitvi bliskovito hitrega strežnika, izberite pravo vrsto shranjevanja Skoraj tako pomemben je kot sam procesor ali RAM. SATA SSD-ji so bili leta zvezdniška izboljšava v primerjavi z mehanskimi trdimi diski, vendar je ta revolucija propadla s prihodom novega igralca: Shramba NVMe.

Ta tehnologija ne le nekoliko izboljša hitrost: Popolnoma spremeni način, kako sistem dostopa do podatkovSkoraj takojšnji časi zagona, bliskovito hitro nalaganje iger, bliskovito hitre baze podatkov in strežniki, ki z isto strojno opremo lahko obdelajo bistveno več prometa. Oglejmo si podrobneje, kaj je NVMe, kako deluje, kako se razlikuje od SATA in SAS ter katere dejanske prednosti ponuja za domači računalnik ali profesionalno okolje.

Kaj točno je NVMe shranjevanje?

NVMe (Non-Volatile Memory Express) Gre za komunikacijski protokol, zasnovan od začetka za delo z sodobni nehlapni pomnilniki, kot je NAND Flash, pri čemer izkoriščajo vmesniške pasove PCI Express (PCIe)Za razliko od SATA ali SAS, ki sta bila prvotno zasnovana za mehanske trde diske, je bil NVMe ustvarjen z jasno idejo: maksimirati hitrost, vzporednost in nizko latenco SSD-jev.

Ko je na sistem priključen NVMe SSD, To počne neposredno vodilo PCIe matične ploščebrez potrebe po vmesnih krmilnikih kot pri AHCI. Ta neposredna pot omogoča hitro komunikacijo s CPU in RAM-om, s čimer se izognemo ozkim grlom, značilnim za prejšnje vmesnike, in skrajšamo odzivni čas na nekaj mikrosekund.

Druga ključna značilnost NVMe je njegova sposobnost upravljanja več vhodno/izhodnih (V/I) čakalnih vrstStandard podpira do 64.000 čakalnih vrst, vsaka čakalna vrsta pa lahko obdela do 64.000 hkratnih ukazov. To omogoča vzporedno obdelavo ogromnega števila zahtev, pri čemer se v celoti izkoristijo trenutne večjedrne procesorje v osebnih računalnikih in strežnikih.

Tradicionalni protokoli, kot je AHCI, ki se uporabljajo v SATA, pa po drugi strani omogočajo le čakalna vrsta s 32 ukaziTo se odraža v čakalnih časih, daljši latenci in slabši izkoriščenosti računalniške moči, ko se hkrati izvaja veliko operacij branja in pisanja, kar je vse pogostejše v sodobnih aplikacijah, podatkovnih bazah ali virtualizaciji.

Razvoj NVMe je potekal med 2008 in 2011 Z jasnim ciljem: nadomestiti SATA in SAS v scenarijih, kjer sta hitrost in učinkovitost ključnega pomena. Njegove prednosti so bile tako očitne, da je standard postal merilo za visokozmogljivo shranjevanje, tako v naprednih domačih računalnikih kot v okoljih podatkovnih centrov.

Razmerje med NVMe in vmesnikom PCI Express

Ena od velikih prednosti NVMe pred prejšnjimi tehnologijami je, da Neposredno se zanaša na PCIe pasove sistema. PCIe ponuja ogromno pasovno širino Poleg tega omogoča napravi komunikacijo z RAM-om, ne da bi morala v mnogih primerih preiti skozi dodatne plasti, kot je IOMMU, kar dodatno zmanjša zakasnitev in porabo procesorskih virov.

Ta neposredna povezava omogoča uporabo NVMe SSD diskov. zelo hitro izmenjuje podatke z RAM-om in CPU-jemTo je ključnega pomena pri delu z velikimi datotekami ali neprekinjenimi podatkovnimi tokovi. Še posebej pomembno je na primer pri nalogah, kot so Urejanje videoposnetkov v ločljivosti 4K ali 8KUpodabljanje 3D-tekstur v video igrah, profesionalno 3D-modeliranje ali analiza velikih količin informacij.

V zgodnjih dneh SSD-jev, povezanih s PCIe, je bilo potrebno zelo specifične vdelane programske opreme Pomanjkanje standardizacije pa je pomenilo, da ni bil izkoriščen polni potencial vodila. Za rešitev te težave je bil razvit protokol NVMe, ki določa, kako operacijski sistem in SSD komunicirata na enoten, učinkovit in razširljiv način.

Zahvaljujoč temu protokolu je med proizvajalci že vzpostavljen skupni ekosistem. NVMe diski so postali prevladujoča vrsta SSD diskov. v sodobnih srednje in visokozmogljivih osebnih računalnikih ter v strežnikih. Poleg tega je NVMe zasnovan tako, da se sčasoma razvija, kar omogoča posodobitve in širitev njegovih zmogljivosti z novimi različicami vdelane programske opreme in specifikacijami.

Drug ključni vidik je, da NVMe ni omejen na "lokalni" PCIe: NVMe over Fabrics (NVMe-oF) obstajaTo omogoča razširitev protokola na različne vrste omrežij, kot so Ethernet, Fibre Channel ali InfiniBand. To odpira vrata arhitekturam omrežnega shranjevanja z zmogljivostjo, ki je zelo blizu zmogljivosti lokalnega diska, vendar s prilagodljivostjo porazdeljenega sistema.

Fizični formati in vrste pogonov NVMe

Ko govorimo o NVMe, ne mislimo le na protokol, ampak tudi na različne oblike fizičnih SSD-jev ki ga uporabljajo. Najpogostejši v uporabniški opremi in profesionalnem okolju so naslednji:

Po eni strani imamo NVMe SSD-je Format M.2Te so zelo priljubljene v sodobnih prenosnikih in namiznih računalnikih. Oblikovane so kot podolgovat trak (podoben "žvečilnemu gumiju"), ki se neposredno priključi na matično ploščo brez kablov, kar prihrani prostor in izboljša pretok zraka znotraj ohišja računalnika.

V profesionalnem področju se enote pogosto uporabljajo U.2 ali U.3ki so podobni 2,5-palčnim diskom in omogočajo vročo zamenjavo v strežnikih, kar je bistveno za vzdrževalna opravila in hitro zamenjavo brez izklopa naprave.

Obstajajo tudi kartice PCIe AIC (dodatna kartica)Te so nameščene neposredno v režo PCIe, tako kot grafična kartica. Ta format se uporablja predvsem za zelo visoko zmogljivo shranjevanje ali za namestitev več NVMe pogonov na isto kartico v vrhunskih strežnikih.

V domačih aplikacijah je bil format M.2 standardiziran z vrsto velikosti, ki imajo enako širino 22 mm, vendar se razlikujejo po dolžini. Tako najdemo enote 2230, 2242, 2260, 2280 in 22110kjer prvi dve števki označujeta širino (22 mm), naslednji pa dolžino v milimetrih. Danes je najbolj razširjen format 2280, ki je prisoten v veliki večini matičnih plošč in prenosnikov.

Poleg velikosti morate upoštevati tudi Vrsta priključka M.2Obstajajo predvsem tri različice: M-Key, B-Key in B+M-Key. Priključek M-Key je povezan s pogoni NVMe, ki uporabljajo PCIe linije (običajno x4), B-Key je povezan z bolj omejenimi napravami (na primer PCIe x2 ali nekaterimi komunikacijskimi moduli), B+M-Key pa je večinoma rezerviran za SSD-je SATA z nižjimi hitrostmi.

Razlike med NVMe in SATA SSD-ji (in drugimi protokoli)

V vsakdanjem jeziku pogosto rečemo "Imam SSD". SSD pogon, priključen prek SATAIsti priključek, kot ga uporabljajo starejši mehanski trdi diski. Ta preskok je že predstavljal veliko izboljšanje pri času zagona in nalaganja programov, vendar ima vmesnik SATA III teoretično omejitev okoli 600 MB/s, ki je že popolnoma izčrpana.

Ko govorimo o a NVMe-SSD Še vedno govorimo o SSD disku, vendar z radikalno spremembo: namesto uporabe vrat SATA se poveže z vodilom PCI Express in komunicira s protokolom NVMe. Ta kombinacija omogoča hitrosti, ki so za nekaj velikostnih razredov višje od tradicionalnega SSD diska SATA.

V praksi, medtem ko je SATA SSD na voljo 500–550 MB/s Za zaporedno branje in pisanje lahko pogon NVMe na PCIe 3.0 doseže hitrost približno 3.500 MB/s. PCIe 4.0 premagati 7.000 MB / s in v PCIe 5.0 pristopu 14.000 MB / sGovorimo o 10- do 20-kratni hitrosti v scenarijih zaporednega prenosa.

Vendar hitrost v MB/s ni vse. NVMe še posebej blesti v IOPS (vhodno/izhodne operacije na sekundo) in zakasnitev. Zahvaljujoč vzporednim čakalnim vrstam ukazov in sodobni zasnovi lahko NVMe SSD zlahka preseže dva milijona IOPS in je pri določenih delovnih obremenitvah do 900 % hitrejši od AHCI pogona.

V primerjavi s SAS, ki se tradicionalno uporablja v strežnikih, NVMe ponuja bistveno večja zmogljivost z manjšo porabo energije in vse enostavnejšo implementacijo. SAS ima še vedno svojo nišo, vendar se je za visokozmogljivo bliskovno shranjevanje NVMe uveljavil kot dejanski industrijski standard.

Kar zadeva uporabniško izkušnjo, se to prevede v operacijski sistem. Začne se v nekaj sekundah.Aplikacije se odprejo skoraj v trenutku, videoigre naložijo zemljevide in teksture brez dolgih čakalnih zaslonov, zahtevne operacije z velikimi datotekami (kopiranje, dekompresija, urejanje) pa se izvedejo v delčku časa.

Kako NVMe deluje za doseganje tako visokih hitrosti?

Da bi razumeli, zakaj je NVMe tako hiter, morate pogledati, kako to obvladuje vhodne in izhodne čakalne vrste ukazovVsakič, ko mora sistem prebrati ali zapisati podatke, pošlje zahtevo, ki se postavi v čakalno vrsto. Pri NVMe sistem ni omejen na eno samo kratko čakalno vrsto, temveč ima lahko več deset tisoč čakalnih vrst, vsaka z več deset tisoč zahtevami.

Ta struktura omogoča Porazdelite operacije med različna jedra procesorjaTo zmanjša čase blokiranja in čakanja. Medtem ko eno jedro obdeluje eno čakalno vrsto, lahko drugo hkrati obravnava drugo, kar se popolnoma ujema z večjedrno arhitekturo trenutnih procesorjev za namizne in strežniške računalnike.

Znotraj samega SSD-ja je ključna komponenta krmilnik bliskaviceMikrokrmilnik, ki izvaja protokol NVMe in orkestrira dostop do pomnilniških čipov NAND. Ta krmilnik deluje podobno kot krmilnik RAM-a, vendar dela z nehlapnim pomnilnikom, upravlja z uravnavanjem obrabe, odpravljanjem napak in notranjo organizacijo podatkov.

Zahvaljujoč tej zasnovi, najzahtevnejše faze protokola Te naloge so delegirane znotraj samega SSD-ja, kar sprosti glavni procesor sistema od večine dela. Rezultat je manj procesorskih ciklov na vhodno/izhodno operacijo, kar vpliva tako na splošno zmogljivost kot na energetsko učinkovitost.

Poleg tega, ker NVMe ne nosi zapuščine mehanskih trdih diskov, odpravlja latence, povezane z mehanskimi čakanji, prerazporejanjem sektorjev in drugimi zgodovinskimi omejitvami. Vse je zasnovano tako, da je dostop čim bolj neposreden in da se v celoti izkoristijo funkcije sodobnega bliskovnega pomnilnika.

Glavne prednosti shranjevanja NVMe

Prva večja prednost NVMe je njegova bruto donosV primerjavi s približno 0,6 GB/s pri SATA III lahko pogon NVMe na PCIe x4 doseže 4 GB/s s prejšnjimi generacijami PCIe, več kot 7 GB/s s PCIe 4.0 in blizu 14 GB/s s PCIe 5.0. Te številke predstavljajo velik preskok za vsako nalogo, kjer je shranjevanje ozko grlo.

Druga prednost je izjemno nizka latencaZ neposredno povezavo s CPU in RAM-om ter izkoriščanjem vzporednih čakalnih vrst se odzivni čas drastično skrajša. To je ključnega pomena v aplikacijah, kjer šteje vsaka milisekunda, kot so baze podatkov z veliko prometa, spletne storitve s tisoči sočasnih uporabnikov, trgovanje, analiza podatkov v realnem času ali okolja umetne inteligence.

NVMe izstopa tudi po svojem energetska učinkovitostZa opravljanje enakih nalog kot SATA SSD ali sistem, ki temelji na SCSI, potrebuje manj operacij na ravni CPU-ja in manj fizičnih naprav za doseganje enake zmogljivosti. V podatkovnem centru to pomeni manjšo porabo energije, manjše segrevanje in manjše potrebe po hlajenju.

Na fizični ravni so NVMe SSD-ji, zlasti v formatu M.2, zavzamejo zelo malo prostoraTo je proizvajalcem matičnih plošč omogočilo, da na tiskano vezje dodajo več rež M.2 in zmanjšajo zapletanje kablov SATA v ohišju. Pri prenosnikih je kompaktna velikost idealna za tanke in lahke sisteme z veliko kapaciteto shranjevanja.

Druga točka v prid je razširljivostZahvaljujoč NVMe-oF se lahko isti protokol uporablja v omrežjih, kot sta Ethernet ali Fibre Channel, kar razširja zmogljivost NVMe preko samega ohišja strežnika. To odpira vrata rešitvam za skupno shranjevanje z zelo nizko zakasnitvijo in zmogljivostjo, ki so bile prej na voljo le pri visoko specializiranih sistemih.

Končno je bil NVMe zasnovan kot dolgoročni standardNjegova specifikacija podpira posodobitve vdelane programske opreme in nove funkcije brez potrebe po popolni spremembi arhitekture, kar proizvajalcem omogoča, da sčasoma izboljšajo svoje pogone in vključijo napredke, kot so zonski imenski prostori (ZNS), napredne varnostne funkcije ali podpora za oddaljeni zagon.

Slabosti in dejavniki, ki jih je treba upoštevati pred izbiro NVMe

To niso vse prednosti, upoštevati je treba nekaj stvari. omejitve in zahteve Preden se odpravite v nakup NVMe SSD-ja, morate najprej upoštevati združljivost: ni dovolj, da ima vaša matična plošča Reža M.2Ta reža mora posebej podpirati PCIe/NVMe in ne samo SATA.

Za preverjanje tega je najbolj zanesljiva metoda preverite točen model matične plošče Te informacije lahko najdete v priročniku, na spletni strani proizvajalca ali z orodji, kot je dxdiag in drugi diagnostični pripomočki. Številne starejše matične plošče imajo reže M.2 samo za pogone SATA, v tem primeru pa pogon NVMe SSD ne bo deloval ali pa ga BIOS/UEFI ne bo prepoznal.

Prav tako moramo pogledati na Različica PCI Express ki ga podpira matična plošča in procesor. Če vaš računalnik podpira samo PCIe 3.0, vam nakup pogona PCIe 5.0 ne bo zagotovil večje zmogljivosti kot pogon PCIe 3.0 ali 4.0, čeprav bo v večini primerov združljiv, ker sta različici običajno združljivi nazaj na ravni signala.

Drug praktičen vidik je vprašanje toplotePogoni NVMe, zlasti hitrejši, se lahko pri delovanju s polno zmogljivostjo precej segrejejo. Zato številne sodobne matične plošče vključujejo namenske hladilnike za reže M.2, številni vrhunski SSD-ji pa imajo vgrajen lasten pasivni hladilni sistem, ki preprečuje izgubo zmogljivosti zaradi termičnega dušenja.

Kar se tiče cene, čeprav se je v zadnjih letih precej znižala, NVMe je še vedno nekoliko dražji od SATA z enako zmogljivostjo. Vendar je razlika v zmogljivosti tako velika, da v večini primerov več kot nadomesti majhne dodatne stroške, še posebej, če opremo uporabljate za zahtevna opravila ali če je čas ključni dejavnik pri vašem delu.

Nenazadnje je pomembno upoštevati tudi uporaba PCIe linijVsak NVMe SSD porabi določeno število PCIe linij (običajno x4), ki si jih delijo z drugimi napravami, kot so grafična kartica, visokohitrostne omrežne kartice ali dodatni krmilniki. V sistemih z malo razpoložljivimi PCIe linijami morate skrbno načrtovati, koliko naprav boste namestili, da se izognete pomanjkanju prostora.

Primeri uporabe: kdaj se splača kupiti NVMe SSD

V profesionalnih okoljih je NVMe praktično privzeta možnost za podatkovne baze, virtualizacija in spletne storitveMinimalni odzivni časi in zmožnost obdelave tisočih hkratnih zahtev omogočajo, da aplikacije, kot so e-trgovina, CRM, ERP ali analiza podatkov, delujejo veliko bolj gladko in podpirajo več hkratnih uporabnikov.

V svetu računalništva v oblaku vam NVMe omogoča, da ponudite virtualni stroji in kontejnerji z izjemno hitrim shranjevanjemskrajšanje časov uvajanja in izboljšanje delovanja kritičnih aplikacij. NVMe-oF omogoča tudi skupno rabo te zmogljivosti po omrežju z minimalnimi izgubami.

Za individualne uporabnike je NVMe SSD idealen, če Igraš sodobne igre ki nenehno nalagajo teksture in podatke, saj drastično zmanjša število zaslonov za nalaganje in pomaga preprečiti zatikanje zaradi nezadostne hitrosti diska. Zelo priporočljivo je tudi, če delate z montažo videoposnetkov, fotografijo visoke ločljivosti ali glasbeno produkcijo z veliko velikimi datotekami.

Tudi za vsakodnevna opravila produktivnosti, kot so brskanje po spletu, uporaba pisarniške programske opreme ali upravljanje e-pošte, Splošen občutek sistema je večja agilnost.Aplikacije se odprejo takoj, sistem ne "razmišlja", ko je odprtih veliko zavihkov ali programov, posodobitve in varnostne kopije pa se zaključijo veliko hitreje.

Če trenutno uporabljate SATA SSD in vaša matična plošča podpira NVMe, Skok je običajno precej opazen kar zadeva čas nalaganja in splošno tekočnost, še posebej, če uporabljate zahtevno programsko opremo ali opravljate intenzivno večopravilnost. Za mnoge uporabnike je to ena največjih izboljšav zmogljivosti, ki jih lahko naredite na računalniku, ne da bi pri tem menjali procesor.

NVMe kot standard sedanjosti in prihodnosti

Z vsem zgoraj navedenim se je NVMe pozicioniral kot temelj nove generacije shranjevanjaNjegova množična uporaba v prenosnikih, namiznih računalnikih in podatkovnih centrih, skupaj z nenehnim razvojem PCIe (Gen4, Gen5 in tisto, kar bo sledilo), ga utrjuje kot tehnologijo, na kateri so zgrajeni današnji visokozmogljivi sistemi.

Ker se potreba po obdelavi podatkov povečuje na področjih, kot so umetna inteligenca, veliki podatki, virtualna in obogatena resničnostZahteve po V/I se strmo povečajo. NVMe ponuja kombinacijo hitrosti, zakasnitve in skalabilnosti, ki je potrebna za delovanje teh aplikacij brez vezave na shranjevanje.

Možnost posodabljanja vdelane programske opreme in vključevanja novih funkcij v sam standard zagotavlja, da NVMe se lahko prilagaja še vrsto let. prilagoditi se spremembam v sektorju, ne da bi bilo treba na novo izumljati kolo s popolnoma novim protokolom. Zaenkrat se zdi, da ni kratkoročne alternative, ki bi ga nadomestila kratkoročno ali srednjeročno.

Skratka, odločitev za NVMe SSD danes je zagotoviti sistem, pripravljen na prihodnja letaZ dovolj prostora za zmogljivost za podporo novejših operacijskih sistemov, iger in profesionalnih aplikacij, ne da bi pri tem pomnilnik postal ozko grlo, je to ena tistih nadgradenj, ki jih boste opazili že ob prvem zagonu, če je vaša matična plošča združljiva in vam proračun to dopušča.