Що таке NVMe-накопичувач і які його переваги порівняно з SATA?

Інформатек Діджитал » Ресурси » Що таке NVMe-накопичувач і які його переваги порівняно з SATA?

Якщо ви думаєте про оновлення комп'ютера або налаштування блискавично швидкого сервера, вибрати правильний тип сховища Це майже так само важливо, як сам процесор чи оперативна пам'ять. Роками твердотільні накопичувачі SATA були зірковим покращенням порівняно з механічними жорсткими дисками, але ця революція зазнала невдачі з появою нового гравця: NVMe-сховище.

Ця технологія не лише трохи покращує швидкість: Це повністю змінює спосіб доступу системи до данихМайже миттєве завантаження, блискавично швидке завантаження ігор, блискавично швидкі бази даних та сервери, які можуть обробляти значно більший трафік з тим самим обладнанням. Давайте детальніше розглянемо, що таке NVMe, як він працює, чим відрізняється від SATA та SAS, і які реальні переваги він пропонує для домашнього ПК або професійного середовища.

Що ж таке NVMe-сховище?

NVMe (Енергонезалежна пам'ять Express) Це протокол зв'язку, розроблений з нуля для роботи з сучасні енергонезалежні пам'яті, такі як NAND Flash, використовуючи переваги інтерфейсних смуг PCI Express (PCIe)На відміну від SATA або SAS, які спочатку розроблялися для механічних жорстких дисків, NVMe створювався з чіткою ідеєю: максимізувати швидкість, паралелізм та низьку затримку SSD-накопичувачів.

Коли до системи підключено твердотільний накопичувач NVMe, Це робиться безпосередньо для шина PCIe материнської платибез необхідності використання проміжних контролерів, як у AHCI. Цей прямий маршрут дозволяє йому швидко взаємодіяти з процесором та оперативною пам'яттю, уникаючи вузьких місць, характерних для попередніх інтерфейсів, та зменшуючи час відгуку до кількох мікросекунд.

Ще однією ключовою особливістю NVMe є його здатність керувати кілька черг вводу/виводу (I/O)Стандарт підтримує до 64 000 черг, і кожна черга може обробляти до 64 000 одночасних команд. Це дозволяє обробляти величезну кількість запитів паралельно, використовуючи всі переваги сучасних багатоядерних процесорів як у ПК, так і на серверах.

Традиційні протоколи, такі як AHCI, що використовуються в SATA, з іншого боку, дозволяють лише черга з 32 командамиЦе призводить до часу очікування, більшої затримки та гіршого використання обчислювальної потужності, коли одночасно виконується багато операцій читання та запису, що все частіше трапляється в сучасних додатках, базах даних або віртуалізації.

Розробка NVMe відбувалася між 2008 і 2011 З чіткою метою: замінити SATA та SAS у сценаріях, де швидкість та ефективність є критично важливими. Його переваги настільки очевидні, що стандарт став еталоном для високопродуктивних сховищ, як у сучасних домашніх комп'ютерах, так і в центрах обробки даних.

Зв'язок між NVMe та інтерфейсом PCI Express

Одна з найбільших переваг NVMe порівняно з попередніми технологіями полягає в тому, що Він безпосередньо залежить від ліній PCIe системи. PCIe пропонує величезну пропускну здатність Крім того, це дозволяє пристрою взаємодіяти з оперативною пам'яттю без необхідності проходити через додаткові шари, такі як IOMMU в багатьох випадках, що ще більше зменшує затримку та споживання ресурсів процесора.

Це пряме підключення дозволяє використовувати NVMe SSD дуже швидкий обмін даними з оперативною пам'яттю та процесоромЦе життєво важливо під час обробки великих файлів або безперервних потоків даних. Наприклад, це особливо важливо в таких завданнях, як Монтаж відео 4K або 8KРендеринг 3D-текстур у відеоіграх, професійне 3D-моделювання або аналіз великих обсягів інформації.

На початку існування SSD-накопичувачів, підключених до PCIe, було необхідно дуже специфічні прошивки а відсутність стандартизації означала, що повний потенціал шини не використовувався. Щоб вирішити цю проблему, було розроблено протокол NVMe, який визначає, як операційна система та SSD взаємодіють уніфікованим, ефективним та розширюваним способом.

Завдяки цьому протоколу серед виробників вже створена спільна екосистема. NVMe-накопичувачі стали домінуючим типом SSD-накопичувачів. у сучасних ПК середнього та високого класу, а також у серверах. Крім того, NVMe розроблено з урахуванням постійної еволюції, що дозволяє оновлювати та розширювати його можливості за допомогою нових версій прошивки та специфікацій.

Ще один ключовий аспект полягає в тому, що NVMe не обмежується «локальною» PCIe: Існує NVMe поверх Fabrics (NVMe-oF)Це дозволяє поширювати протокол на різні типи мереж, такі як Ethernet, Fibre Channel або InfiniBand. Це відкриває шлях до архітектур мережевих сховищ з продуктивністю, дуже близькою до локального диска, але з гнучкістю розподіленої системи.

Фізичні формати та типи NVMe-накопичувачів

Коли ми говоримо про NVMe, ми маємо на увазі не лише протокол, а й різні формати фізичних SSD-накопичувачів які його використовують. Найпоширенішими в користувацькому обладнанні та професійному середовищі є наступні:

З одного боку, у нас є NVMe SSD-накопичувачі. Формат M.2Вони дуже популярні в сучасних ноутбуках і настільних комп'ютерах. Вони мають форму витягнутої смужки (схожої на «жувальну таблетку»), яка підключається безпосередньо до материнської плати без кабелів, заощаджуючи місце та покращуючи потік повітря всередині корпусу ПК.

У професійній сфері одиниці вимірювання широко використовуються U.2 або U.3які нагадують 2,5-дюймові диски та дозволяють гарячу заміну на серверах, що є важливим для завдань технічного обслуговування та швидкої заміни без вимкнення машини.

Також є картки PCIe AIC (плата розширення)Вони встановлюються безпосередньо в слот PCIe, як і відеокарта. Цей формат в основному використовується для дуже високопродуктивне сховище або для встановлення кількох NVMe-накопичувачів на одну карту у високопродуктивних серверах.

У побутовому застосуванні формат M.2 стандартизовано з діапазоном розмірів, які мають однакову ширину 22 мм, але різняться довжиною. Таким чином, ми знаходимо одиниці 2230, 2242, 2260, 2280 та 22110де перші дві цифри вказують на ширину (22 мм), а наступні – на довжину в міліметрах. Найпоширенішим форматом сьогодні є 2280, присутній у переважній більшості материнських плат і ноутбуків.

Окрім розміру, потрібно також враховувати Тип роз'єму M.2Існує три основні варіанти: M-Key, B-Key та B+M-Key. Роз'єм M-Key пов'язаний з накопичувачами NVMe, які використовують лінії PCIe (зазвичай x4), B-Key пов'язаний з більш обмеженими пристроями (наприклад, PCIe x2 або певними модулями зв'язку), а B+M-Key здебільшого зарезервований для SSD-накопичувачів на базі SATA зі скромнішими швидкостями.

Різниця між твердотільними накопичувачами NVMe та SATA (та іншими протоколами)

У повсякденній мові ми часто кажемо «У мене є SSD», маючи на увазі твердотільний накопичувач, підключений через SATAТой самий роз'єм, що й у старіших механічних жорстких дисках. Цей стрибок вже ознаменував значне покращення часу завантаження та завантаження програм, але інтерфейс SATA III має теоретичне обмеження близько 600 МБ/с, яке вже повністю вичерпано.

Коли ми говоримо про а NVMe SSD Ми все ще говоримо про твердотільний накопичувач, але з радикальною зміною: замість використання порту SATA він підключається до шини PCI Express та взаємодіє за протоколом NVMe. Таке поєднання дозволяє досягати швидкості на кілька порядків вищої, ніж у традиційного SATA SSD.

На практиці, поки SATA SSD існує 500-550 МБ/с Для послідовної швидкості читання та запису NVMe-накопичувач на PCIe 3.0 може досягати швидкості близько 3.500 МБ/с. PCIe 4.0 подолати 7.000 МБ / с а в PCIe 5.0 підхід до 14.000 МБ / сЙдеться про те, щоб бути в 10-20 разів швидшим у сценаріях послідовної передачі.

Але швидкість у Мбіт/с — це ще не все. NVMe особливо перевершує... IOPS (операцій вводу/виводу за секунду) і затримка. Завдяки паралельним чергам команд і сучасному дизайну, твердотільний накопичувач NVMe може легко перевищувати два мільйони операцій вводу-виводу в секунду та бути до 900% швидшим, ніж диск AHCI, за певних робочих навантажень.

Порівняно з SAS, що традиційно використовується в серверах, NVMe пропонує значно вища продуктивність з меншим споживанням енергії та дедалі простіша реалізація. SAS все ще має свою нішу, але для високопродуктивних флеш-сховищ NVMe він утвердився як фактичний галузевий стандарт.

З точки зору користувацького досвіду, це перекладається на операційну систему Це починається за кілька секунд.Програми відкриваються майже миттєво, відеоігри завантажують карти та текстури без тривалого очікування на екранах, а важкі операції з великими файлами (копіювання, розпакування, редагування) виконуються за лічені секунди.

Як NVMe працює для досягнення таких високих швидкостей?

Щоб зрозуміти, чому NVMe такий швидкий, потрібно подивитися, як він з цим справляється. черги вхідних та вихідних командЩоразу, коли системі потрібно зчитати або записати дані, вона надсилає запит, який поміщається в чергу. Завдяки NVMe система не обмежується однією короткою чергою, а може мати десятки тисяч черг, кожна з яких містить десятки тисяч запитів.

Ця структура дозволяє Розподіляйте операції між різними ядрами процесораЦе зменшує час блокування та очікування. Поки одне ядро ​​обробляє одну чергу, інше може одночасно обробляти іншу, що ідеально відповідає багатоядерній архітектурі сучасних процесорів для настільних комп'ютерів та серверів.

У самому SSD-накопичувачі ключовим компонентом є контролер спалахуМікроконтролер, який працює за протоколом NVMe та керує доступом до мікросхем пам'яті NAND. Цей контролер функціонує аналогічно контролеру оперативної пам'яті, але працює з енергонезалежною пам'яттю, керуючи рівнем зносу, виправленням помилок та внутрішньою організацією даних.

Завдяки такому дизайну, найвимогливіші етапи протоколу Ці завдання делегуються в межах самого SSD, звільняючи основний процесор системи від більшої частини роботи. Результатом є зменшення кількості циклів процесора на операцію вводу/виводу, що впливає як на загальну продуктивність, так і на енергоефективність.

Крім того, не маючи традицій механічних жорстких дисків, NVMe усуває затримки, пов'язані з механічним очікуванням, переупорядкуванням секторів та іншими історичними обмеженнями. Все розроблено для того, щоб зробити доступ максимально прямим і максимально використати можливості сучасної флеш-пам'яті.

Основні переваги NVMe-сховищ

Першою важливою перевагою NVMe є його валовий дохідПорівняно з приблизно 0,6 ГБ/с SATA III, NVMe-диск на PCIe x4 може досягати 4 ГБ/с з попередніми поколіннями PCIe, понад 7 ГБ/с з PCIe 4.0 та близьких до 14 ГБ/с з PCIe 5.0. Ці цифри є гігантським стрибком для будь-якого завдання, де вузьким місцем є сховище даних.

Ще одна перевага - це надзвичайно низька затримкаЗавдяки прямому підключенню до процесора та оперативної пам'яті, а також використанню паралельних черг, час відгуку значно скорочується. Це критично важливо в додатках, де важлива кожна мілісекунда, таких як бази даних з високим трафіком, веб-сервіси з тисячами одночасних користувачів, торгівля, аналіз даних у режимі реального часу або середовища штучного інтелекту.

NVMe також виділяється своєю енергоефективністьДля виконання тих самих завдань, що й SATA SSD або система на базі SCSI, йому потрібно менше операцій на рівні процесора та менше фізичних пристроїв для досягнення тієї ж продуктивності. У центрі обробки даних це означає зниження енергоспоживання, менше тепловиділення та зменшення потреб в охолодженні.

На фізичному рівні, SSD-накопичувачі NVMe, особливо у форматі M.2, займають дуже мало місцяЦе дозволило виробникам материнських плат додати кілька слотів M.2 безпосередньо на друковану плату та зменшити сплутування кабелів SATA всередині корпусу. У ноутбуках компактний розмір ідеально підходить для тонких і легких систем з великою ємністю сховища.

Ще одним плюсом є масштабованістьЗавдяки NVMe-oF той самий протокол можна використовувати в мережах, таких як Ethernet або Fibre Channel, розширюючи продуктивність NVMe за межі самого серверного шасі. Це відкриває шлях до спільних рішень для зберігання даних з дуже низькою затримкою та продуктивністю, які раніше були доступні лише у вузькоспеціалізованих системах.

Зрештою, NVMe був розроблений як довгостроковий стандартЙого специфікація підтримує оновлення прошивки та нові функції без необхідності повної зміни архітектури, що дозволяє виробникам з часом удосконалювати свої накопичувачі та впроваджувати такі вдосконалення, як зоновані простори імен (ZNS), розширені функції безпеки або підтримка віддаленого завантаження.

Недоліки та врахування перед вибором NVMe

Це не всі переваги, і деякі речі слід враховувати. обмеження та вимоги Перш ніж поспішати купувати NVMe SSD, перше, що слід врахувати, це сумісність: недостатньо, щоб ваша материнська плата мала Слот M.2Необхідно, щоб цей слот підтримував саме PCIe/NVMe, а не лише SATA.

Щоб перевірити це, найнадійнішим методом є перевірте точну модель материнської плати Ви можете знайти цю інформацію в інструкції, на веб-сайті виробника або за допомогою таких інструментів, як dxdiag та інших діагностичних утиліт. Багато старих материнських плат мають слоти M.2 лише для накопичувачів SATA, і в такому випадку NVMe SSD або не працюватиме, або не буде розпізнаний BIOS/UEFI.

Нам також потрібно подивитися на Версія PCI Express підтримується материнською платою та процесором. Якщо ваш комп'ютер підтримує лише PCIe 3.0, придбання диска PCIe 5.0 не забезпечить вам більшої продуктивності, ніж диск PCIe 3.0 або 4.0, хоча в більшості випадків він буде сумісним, оскільки версії зазвичай мають зворотну сумісність на рівні сигналу.

Ще один практичний аспект полягає в питанні теплоNVMe-диски, особливо швидші, можуть досить сильно нагріватися під час роботи на повну потужність. Саме тому багато сучасних материнських плат мають спеціальні радіатори для слотів M.2, а багато високоякісних SSD-накопичувачів мають власну пасивну систему охолодження, щоб запобігти втраті продуктивності через теплове дроселювання.

Що стосується ціни, то вона, хоча за останні роки значно знизилася, NVMe все ще дещо дорожчий за SATA з однаковою потужністю. Однак різниця в продуктивності настільки велика, що в більшості випадків вона з лишком компенсує невеликі додаткові витрати, особливо якщо ви використовуєте обладнання для складних завдань або якщо час є ключовим фактором у вашій роботі.

Зрештою, важливо врахувати, використання ліній PCIeКожен NVMe SSD використовує певну кількість ліній PCIe (зазвичай x4), які використовуються спільно з іншими пристроями, такими як відеокарта, високошвидкісні мережеві карти або додаткові контролери. У системах з невеликою кількістю доступних ліній PCIe потрібно ретельно спланувати, скільки пристроїв ви встановите, щоб уникнути нестачі місця.

Випадки використання: коли варто придбати NVMe SSD

У професійному середовищі NVMe практично є опцією за замовчуванням. бази даних, віртуалізація та веб-сервісиМінімальний час відгуку та здатність обробляти тисячі одночасних запитів роблять такі програми, як електронна комерція, CRM, ERP або аналітика даних, набагато плавнішими та підтримують більше одночасних користувачів.

У світі хмарних обчислень NVMe дозволяє вам пропонувати віртуальні машини та контейнери з надзвичайно швидким сховищемскорочення часу розгортання та покращення продуктивності критично важливих програм. NVMe-oF також дозволяє розподіляти цю продуктивність по всій мережі з мінімальними втратами.

Для індивідуальних користувачів NVMe SSD ідеально підійде, якщо Ви граєте в сучасні ігри які постійно завантажують текстури та дані, оскільки це значно зменшує кількість екранів завантаження та допомагає запобігти заїканню через недостатню швидкість диска. Також дуже рекомендується, якщо ви працюєте з відеомонтажем, фотографіями високої роздільної здатності або музичним виробництвом з багатьма великими файлами.

Навіть для повсякденних завдань продуктивності, таких як перегляд веб-сторінок, використання офісного програмного забезпечення або керування електронною поштою, Загальне враження від системи — це більша гнучкість.Програми відкриваються миттєво, система не «думає», коли відкрито багато вкладок або програм, а оновлення та резервне копіювання виконуються набагато швидше.

Якщо ви зараз використовуєте SATA SSD, а ваша материнська плата підтримує NVMe, Стрибок зазвичай досить помітний з точки зору часу завантаження та загальної плавності, особливо якщо ви використовуєте вимогливе програмне забезпечення або виконуєте інтенсивну багатозадачність. Для багатьох користувачів це одне з найбільш суттєвих покращень продуктивності, яке можна зробити на ПК без зміни процесора.

NVMe як стандарт сьогодення та майбутнього

З огляду на все вищесказане, NVMe позиціонує себе як основа нового покоління сховищЙого масове впровадження в ноутбуках, настільних комп'ютерах та центрах обробки даних, у поєднанні з безперервною еволюцією PCIe (Gen4, Gen5 та те, що з'явиться пізніше), закріплює його як технологію, на якій побудовані сучасні високопродуктивні системи.

Оскільки потреба в обробці даних зростає в таких сферах, як штучний інтелект, великі дані, віртуальна та доповнена реальністьВимоги до вводу/виводу стрімко зростають. NVMe пропонує поєднання швидкості, затримки та масштабованості, необхідні для роботи цих програм без прив'язки до сховища.

Можливість оновлення прошивки та вбудовування нових функцій у сам стандарт гарантує, що NVMe може продовжувати адаптуватися протягом багатьох років. адаптуватися до змін у секторі, не винаходячи велосипеда з абсолютно новим протоколом. Наразі, здається, немає найближчої альтернативи, яка замінить його у короткостроковій чи середньостроковій перспективі.

Коротше кажучи, вибір NVMe SSD сьогодні – це щоб забезпечити систему, готову до наступних роківМаючи достатній запас продуктивності для підтримки новіших операційних систем, ігор та професійних програм без обмеження обсягу пам'яті, якщо ваша материнська плата сумісна з нею та дозволяє ваш бюджет, це одне з тих оновлень, які ви помітите з першого завантаження.