NVMe: что это и зачем нужно  Чем отличаются накопители SSD NVMe от SATA

NVMe (расшифровывается как Non-Volatile Memory Express) — это протокол и стандарт интерфейса, предназначенный для ускорения работы твердотельных накопителей (SSD), использующих флэш-память NAND.

Твердотельные накопители (SSD) — это устройства хранения данных, в которых для постоянного хранения информации используется флэш-память на основе NAND. Твердотельные накопители стали популярной альтернативой традиционным жестким дискам (HDD) благодаря своим многочисленным преимуществам, включая более быстрое время доступа к данным, низкое энергопотребление и повышенную долговечность.

Протокол NVMe специально оптимизирован для высокоскоростного параллельного обмена данными, на который способны твердотельные накопители, что позволяет значительно улучшить скорость по сравнению с более старыми протоколами, такими как SATA (Serial ATA) и AHCI (Advanced Host Controller Interface).

Как работает NVMe

NVMe работает по модели, основанной на очередях. Он имеет несколько очередей команд, включая очереди отправки (Submission Queues, SQs) и завершения (Completion Queues, CQs). Эти очереди позволяют хосту и NVMe-накопителю взаимодействовать эффективно. Хост может подавать команды чтения и записи в SQ, а NVMe-накопитель обрабатывает эти команды и отправляет уведомления о завершении в CQ.

Когда хост выдает команду (например, чтение файла или запись данных), NVMe-накопитель обрабатывает ее асинхронно. Контроллер NVMe-накопителя управляет этими командами и планирует их выполнение, оптимизируя использование внутренних ячеек флэш-памяти NAND.

NVMe включает в себя надежные механизмы обработки ошибок. Они позволяют обнаруживать и сообщать об ошибках, а также поддерживают такие функции, как сквозная защита данных, обеспечивающая их целостность.

Одним из ключевых преимуществ NVMe является возможность параллельной обработки нескольких команд и передачи данных. Такой параллелизм очень важен для достижения высокой производительности, поскольку позволяет минимизировать время ожидания и максимально эффективно использовать ресурсы накопителя. Данные передаются между хостом и NVMe-накопителем в виде блоков фиксированного размера, называемых «страницами данных». Размер страниц данных обычно составляет 4 КБ. Протокол NVMe обеспечивает эффективную передачу данных и поддерживает такие функции, как scatter-gather, позволяющие считывать или записывать данные из нескольких мест в памяти.

NVMe также поддерживает целый ряд команд, выходящих за рамки базовых операций чтения и записи. Они включают такие функции, как безопасное стирание, управление питанием и поиск состояния, обеспечивая большую гибкость и контроль над устройством хранения данных.

NVMe-накопители обычно используют интерфейс PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), который обеспечивает высокоскоростное соединение между хост-системой и NVMe-накопителем. PCIe обладает достаточной пропускной способностью для поддержки требований NVMe к высокоскоростной передаче данных.

Преимущества NVMe

Использование NVMe (Non-Volatile Memory Express) в накопителях, в частности в твердотельных дисках (SSD), дает ряд существенных преимуществ по сравнению с более старыми интерфейсами хранения данных, такими как SATA (Serial ATA).

1. NVMe SSD значительно быстрее своих аналогов с интерфейсом SATA. Они обеспечивают гораздо более высокую скорость передачи данных, сокращая время загрузки и повышая общую скорость отклика системы. Это особенно заметно при загрузке операционной системы, запуске приложений и работе с большими файлами.

2. NVMe минимизирует задержку доступа к данным — время, необходимое устройству хранения для ответа на запрос. Низкая задержка очень важна для приложений, требующих быстрого получения данных, таких как игры, создание контента и обработка баз данных.

3. Твердотельные накопители NVMe обладают значительно более высокой производительностью IOPS (операций ввода-вывода в секунду) по сравнению с твердотельными накопителями SATA. Это означает, что они способны выполнять большее количество одновременных операций чтения и записи, что делает их идеальными для многозадачных и ресурсоемких рабочих нагрузок.

4. Твердотельные накопители NVMe позволяют переложить многие задачи, связанные с хранением данных, с центрального процессора на сам твердотельный накопитель. Это снижает нагрузку на центральный процессор и позволяет ему сосредоточиться на других критически важных задачах, что приводит к повышению общей производительности системы и энергоэффективности.

5. NVMe разработан для поддержки будущих достижений в области технологии флэш-памяти NAND и устройств хранения данных. Это обеспечивает совместимость с развивающимся оборудованием, позволяя пользователям получать преимущества от повышения производительности по мере появления новых твердотельных накопителей NVMe.

6. В некоторых твердотельных накопителях NVMe реализованы такие функции, как выравнивание износа и избыточное резервирование, которые позволяют продлить срок службы накопителя и повысить его надежность в долгосрочной перспективе. Это особенно важно для твердотельных накопителей, используемых в корпоративных средах и центрах обработки данных.

7. Твердотельные накопители NVMe часто выпускаются в небольших форм-факторах, таких как M.2 и U.2, которые занимают мало места и подходят для ультратонких ноутбуков и компактных настольных компьютеров.

8. Накопители NVMe обычно используют интерфейс PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), который обеспечивает высокоскоростную передачу данных между твердотельным накопителем и материнской платой компьютера. Этот интерфейс широко распространен и обеспечивает совместимость с современными материнскими платами.

9. При использовании в качестве основного устройства хранения данных для операционной системы и часто используемых приложений твердотельные накопители NVMe заметно повышают общую производительность системы, что обеспечивает более высокую скорость отклика и приятные впечатления от работы с компьютером.

Где используется NVMe

Протокол NVMe (Non-Volatile Memory Express) используется в основном в устройствах хранения данных, в частности в твердотельных накопителях (SSD). Он получил широкое распространение в различных вычислительных средах и системах хранения данных благодаря своим значительным преимуществам в плане скорости, низкой задержки и эффективности.

1. Твердотельные накопители NVMe широко используются в качестве основного хранилища данных в потребительских настольных компьютерах и ноутбуках. Они обеспечивают быструю загрузку приложений и в целом более высокую скорость отклика системы по сравнению с традиционными жесткими дисками (HDD) или SSD на базе SATA.

2. Геймеры часто выбирают твердотельные накопители NVMe для своих игровых систем, чтобы сократить время загрузки и повысить производительность в играх, особенно в играх с открытым миром и большими массивами данных, к которым требуется быстрый доступ.

3. Профессионалы, работающие в сфере видеомонтажа, 3D-рендеринга и других областях создания контента, выигрывают от высокоскоростной передачи данных и низких задержек твердотельных накопителей NVMe при работе с большими медиафайлами.

4. Накопители NVMe широко распространены в рабочих станциях, используемых для решения таких задач, как CAD/CAM, научное моделирование и разработка программного обеспечения, где высокая скорость доступа к данным имеет решающее значение для производительности.

5. Твердотельные накопители NVMe применяются в центрах обработки данных и серверных средах. Они способны работать с такими рабочими нагрузками, как виртуализация, базы данных и облачные вычисления, с низкой задержкой и высокой пропускной способностью.

6. Твердотельные накопители NVMe корпоративного класса используются в массивах и устройствах хранения данных для обеспечения быстрого доступа к данным для различных приложений. Они также используются при развертывании гиперконвергентных инфраструктур (HCI).

7. СХД NVMe играют важнейшую роль в рабочих нагрузках ИИ и машинного обучения, связанных с обработкой больших массивов данных. Быстрый доступ к данным необходим для обучения и вывода моделей.

8. В некоторых встраиваемых системах, особенно требующих высокоскоростного хранения данных, также используются твердотельные накопители NVMe или модули eMMC (embedded MultiMediaCard), реализующие протокол NVMe.

9. В промышленных условиях NVMe-накопители могут использоваться для регистрации данных, систем управления и мониторинга в реальном времени, где скорость и надежность имеют первостепенное значение.

10. В области медицинской визуализации, где генерируются большие объемы изображений высокого разрешения, твердотельные накопители NVMe используются для быстрого хранения и получения данных о пациентах.

11. Некоторые устройства NAS и устройства хранения данных поддерживают твердотельные накопители NVMe в качестве кэш-памяти или основного хранилища для ускорения доступа к данным для подключенных к сети устройств.

12. В сценариях граничных вычислений твердотельные накопители NVMe могут использоваться для локального хранения и обработки данных, что позволяет сократить задержки в приложениях, требующих быстрого принятия решений на границе сети.

M2 и SATA

NVMe — это протокол, однако его часто путают с понятием «интерфейса подключения накопителя». Для устройств с NVMe используются интерфейсы M.2 и SATA.

M.2 и SATA — два типа интерфейсов, используемых для подключения устройств хранения данных к системной плате компьютера. Однако они имеют существенные различия с точки зрения форм-фактора, скорости и совместимости.

SATA (Serial ATA)

Диски SATA обычно имеют форм-фактор 2,5 дюйма, что соответствует размерам традиционных жестких дисков для ноутбуков. Они также могут быть выполнены в форм-факторе 3,5 дюйма, что характерно для жестких дисков для настольных ПК.

Интерфейсы SATA со временем эволюционировали, и наиболее распространенной версией является SATA III (SATA 3.0), максимальная скорость передачи данных которого составляет 6 Гбит/с. К более ранним версиям относятся SATA I (1,5 Гбит/с) и SATA II (3 Гбит/с).

Диски SATA совместимы с широким спектром устройств, включая ноутбуки, настольные компьютеры и внешние корпуса для хранения данных. Твердотельные накопители SATA также могут использоваться в качестве прямой замены традиционных жестких дисков SATA.

Основным ограничением SATA является его скорость. Несмотря на значительные преимущества по сравнению с традиционными жесткими дисками, она может оказаться узким местом для современных высокоскоростных SSD, особенно по сравнению с NVMe SSD.

M.2

Накопители M.2 имеют более компактный форм-фактор. Они представляют собой тонкие прямоугольные платы, подключаемые непосредственно к материнской плате через слот M.2. Накопители M.2 имеют различную длину и ширину, распространенные размеры — 22 х 80 мм (тип 2280) и 22 х 30 мм (тип 2230).

Накопители M.2 поддерживают различные интерфейсные протоколы, включая SATA и NVMe. Твердотельные накопители M.2 SATA имеют те же ограничения по скорости, что и традиционные 2,5-дюймовые SSD SATA, в то время как твердотельные накопители M.2 NVMe могут достигать гораздо более высоких скоростей.

Твердотельные накопители NVMe M.2 значительно быстрее твердотельных накопителей SATA, что делает их предпочтительным выбором для высокопроизводительных вычислительных задач. Твердотельные накопители SATA M.2 имеют ту же скорость, что и традиционные твердотельные накопители SATA.

Диски SATA более универсальны, в то время как для дисков M.2 требуется определенный слот M.2 и поддержка интерфейсного протокола (SATA или NVMe).

Недостатки NVMe

Твердотельные накопители NVMe (Non-Volatile Memory Express) обладают значительными преимуществами в плане скорости, низких задержек и эффективности, однако им присущи и некоторые недостатки и ограничения.

Твердотельные накопители NVMe, как правило, дороже SSD с интерфейсом SATA при аналогичном объеме памяти. Преимущества твердотельных накопителей NVMe, такие как высокая скорость передачи данных и низкая задержка, могут быть реализованы не всеми пользователями. Повседневные задачи, такие как просмотр веб-страниц, работа с офисными приложениями и потребление мультимедиа, не получают значительных преимуществ от скорости NVMe, что делает дополнительные затраты менее оправданными для таких случаев использования.

Твердотельные накопители NVMe требуют наличия слота M.2 или U.2 на материнской плате или карты расширения, поддерживающей протокол NVMe. В старых материнских платах или системах эти слоты могут отсутствовать, что приводит к необходимости модернизации материнской платы или использования платы-адаптера. Совместимость также распространяется на поддержку программного обеспечения, и некоторые старые операционные системы могут не в полной мере использовать NVMe-накопители без дополнительных драйверов.

Твердотельные накопители NVMe могут выделять больше тепла, чем твердотельные накопители SATA, из-за более высокой скорости передачи данных. Некоторые NVMe-накопители поставляются с радиаторами или другими решениями для терморегулирования, но в некоторых ситуациях, особенно при длительной интенсивной нагрузке, они все равно могут нагреваться и снижать производительность, чтобы предотвратить перегрев. Для поддержания стабильной производительности NVMe SSD важно обеспечить достаточное охлаждение системы.

Хотя твердотельные накопители NVMe в целом энергоэффективны, они могут потреблять больше энергии по сравнению с твердотельными накопителями SATA, особенно при интенсивных нагрузках. Это может сказаться на времени автономной работы ноутбуков и потребовать установки более мощных блоков питания в настольных компьютерах.

Хотя сам протокол NVMe является стандартом, физические форм-факторы (M.2 и U.2) и типы разъемов (M.2 Key Type, U.2 SFF-8639 и т.д.) для NVMe SSD не стандартизированы. Это может привести к путанице при выборе подходящего накопителя для конкретной системы.

Твердотельные накопители NVMe могут не поддерживать встроенные функции аппаратного шифрования в той же степени, что и некоторые твердотельные накопители SATA. Пользователям, для которых безопасность и шифрование данных являются приоритетными, следует внимательно изучить спецификации NVMe-накопителей, чтобы убедиться, что они соответствуют их требованиям.

Что такое NVMe raid mode

Под режимом NVMe RAID понимается конфигурация, в которой несколько твердотельных накопителей NVMe (Non-Volatile Memory Express) объединяются в массив RAID (Redundant Array of Independent Disks) для достижения различных целей, таких как повышение производительности, резервирование или сочетание того и другого. NVMe RAID может быть создан с помощью специальных аппаратных контроллеров или программных RAID-решений, предоставляемых материнской платой или операционной системой.

NVMe RAID может стать мощным решением для приложений, требующих высокой производительности и резервирования данных. Однако необходимо тщательно планировать и настраивать RAID-массивы в соответствии с конкретными потребностями, учитывая возможные компромиссы между производительностью и защитой данных.

Есть ли переходники (адаптеры) с SATA на NVMe

Переходник или адаптер NVMe SATA не существует — это нонсенс. Ошибка возникает из-за того, что интерфейсы PCIe и NVMe часто путают, а NVMe ассоциируют с форм-фактором M.2. Накопитель M.2 может иметь как SATA, так и NVMe интерфейс. А вот адаптеры между интерфейсами M.2 и SATA встречаются.