Что такое NVMe у твердотельных накопителей?
Содержание
Содержание
Аббревиатура NVMe сейчас на слуху. То тут, то там можно услышать или прочитать, что-то вроде «Не хочу SATA, это старье. Хочу NVMe!» А что же это вообще такое? Давайте разбираться.
Что же такое NVMe?
NVM Express или NVMe (от англ. Non-Volatile Memory Express) — это спецификация протокола (упрощенно — протокол) обмена данными через линии PCI Express. Создавалась специально для твердотельных накопителей и ориентировалась на достижение максимальной производительности и масштабируемости в дальнейшем.
Следует отметить, что NVMe — это именно протокол, поэтому распространенное выражение «NVME накопитель/SSD» применяется не совсем корректно. Ведь под этим пользователи практически всегда понимают устройство в формате M.2, тем самым объединяя под одним названием и протокол, и форм-фактор накопителя.
Какие преимущества дает использование NVMe в накопителях?
Использованием линий PCIe означает высокий максимальный предел теоретических скоростных характеристик дисков, что было показано еще накопителями, не поддерживающими NVMe. Тогда зачем нужна была вся затея с ее разработкой?
Увеличение глубины очереди команд и количества очередей
Первые диски хоть и показывали высокие скорости, используя преимущества шины PCIe, но использовали эмуляцию AHCI, где была лишь одна очередь на 32 команды. Использование одной очереди обусловлено тем, что AHCI создавался для жестких дисков, а у них ни о каком параллелизме при работе думать не приходилось. С появлением SSD все изменилось. В спецификации NVMe заложено использование до 65535 очередей и до 65535 команд в каждой очереди с указанием приоритета очередей и четким арбитражем последних. Эти огромные показатели хоть и не нужны сейчас, но задел на будущее оставляют приличный.
Представьте бригадира и некоторое количество рабочих, очень быстрых рабочих. Если бригадир один и выдает по небольшому количеству поручений одному рабочему сразу, то пока он раздает указания остальным, предыдущие уже могут всю работу выполнить и простаивать. А если бригадиров столько же, сколько рабочих и они выдают поручения сразу на полдня, то утилизация ресурсов будет гораздо выше.
Работа с многоядерными/многопроцессорными системами, внедрение механизма прерываний и поддержка виртуализации
Совместно с первым пунктом это нацелено на увеличение параллелизма в работе, что в результате приводит к улучшение скоростных характеристик. Каждое ядро процессора может управлять несколькими очередями (отправка/завершение). Управление прерываниями (MSI-X — Message Signaled Interrupt Extended) позволяет при поступлении приоритетной задачи быстрее поставить ее на выполнение. Также была произведена оптимизация по поддержке работы с технологиями виртуализации, которая обязательна для серверов, куда NVMe в первую очередь и были нужны.
Проведем параллель с дорогой. Ясно, что пропускная способность однополосной дороги существенно меньше, чем у четырехполосной. Если только у нее не одна полоса (ядро) для въезда, иначе это колосс на глиняных ногах. А если по дороге будет ехать пожарная машина, то все расступятся и она проедет первой (спасибо прерываниям и приоритизации).
Сокращение задержек при работе
Чтобы убрать задержки при выполнении команд накопителем нужен простой и короткий путь. Поэтому посредники в лице SATA-контроллера были исключены. Также был написан более простой и эффективный набор команд для работы протокола, использующий меньше процессорного времени.
Примерной аналогией будет ситуация, когда вам нужно пробежать обычную стометровку и с препятствиями. Первую, конечно, пробежать проще и быстрее, особенно если у вас ноги длиннее (проще команды) и быстрее двигаются (меньше расходуют ресурсов).
Ускорение работы с оперативной памятью
Если AHCI требовалось два запроса в DRAM, то NVMe использует один запрос на чтение 4 Кб, обеспечивая эффективную работу небольших операций ввода/вывода. Опять же сокращает накладные расходы, позволяя увеличить эффективность в единицу времени в сравнении с AHCI. Ведь быстрее оплатить покупку просто приложив карту, чем еще дополнительно вводить пин-код.
Это лишь несколько основных важных отличий NVMe, по которым виден основной вектор при работе над протоколом. SSD, в отличие от HDD, обладает некоторой степенью параллелизма — контроллер поддерживает несколько каналов для подключения микросхем памяти. В итоге большой пласт работы направлен на максимальную возможность распараллеливания операций. Несколько очередей с большой очередью команд — сценарий, в котором накопители показывают лучшие результаты. Работа с многоядерными процессорами также позволяет максимально загрузить работой диск.
Другой целью разработки было исключение промежуточных звеньев. Так удаление контроллера SATA из цепочки «процессор — накопитель», новые команды и драйвер позволили снизить задержки в обработке команд так, что основным фактором, влияющим на латентность, стали сами микросхемы NAND. Они же и остаются лимитирующим фактором в скорости записи. 3DXpoint от Intel сделала первый шаг в направлении уменьшения латентности памяти. Будем ждать, что смогут преподнести будущие типы микросхем.
Все внесенные изменения обеспечили не только и не столько скачок в скоростных показателях (это сделал еще переход на PCIe в SSD, эмулировавших AHCI), а существенное увеличение числа операций ввода-вывода (IOPS), что особенно важно в высоконагруженных сценариях/режимах работы.
Опять же если вернуться к AHCI, то ее разработка зиждилась на максимальном сохранении совместимости с разными устройствами. NVMe же возводили практически с нуля, основываясь лишь на использовании линий PCI-Express. И это наложило некоторые особенности реализации в конечном итоге.
Так для работы NVMe необходима поддержка со стороны операционной системы (ОС). Впрочем, сейчас драйвер есть во всех современных ОС: Windows, Mac OS и ядрах Linux/BSD. А для использования в качестве загрузочного накопителя, потребуется наличие драйвера в UEFI материнской платы. Как его добавить в старые модели плат, можно прочитать здесь.
В данной статье мы рассмотрим основные вопросы, которые возникают при покупке новых SSD дисков, форм-фактора M.2 с интерфейсом PCI-E, а также их достоинства, недостатки и отличия от обычных SSD и HDD дисков с интерфейсом SATA.
Описание
Возможно, что во время выбора SSD накопителя у вас возникал вопрос: «Что такое NVMe и чем он отличается от обычного твердотельного накопителя» или «Какие у него преимущества и за что именно мне придётся переплатить». Тоже сталкивались с этими вопросами и не знаете ответ? Не стоит волноваться, специально для такого случая мы и подготовили этот материал.
В этой статье вы сможете найти большинство ответов на свои вопросы, которые могли возникнуть у вас при выборе SSD диска. В дополнение мы разберём, в чем заключаются отличия SSD диска с механизмом AHCI от SSD диска, работающего на новой спецификации NVMe, и как вообще разобраться в этих сокращениях и понять, как всё устроено и работает на самом деле.
К сожалению, просто объяснить всё в паре предложений, а именно почему твердотельный диск с поддержкой NVMe спецификации лучше или почему вам не нужно ждать и уже сейчас стоит задуматься о покупке твердотельного накопителя с поддержкой NVMe, так просто не получится. Для этого нам придётся совершить небольшой экскурс в прошлое и понять, какие причины привели к появлению и закреплению на рынке NVMe спецификации для твердотельных накопителей.
Краткий курс истории и появление NVMe спецификации.
Как мы отметили ранее, эту статью нужно начать с краткого экскурса в ускоренный курс истории и дать представление для всех без исключения пользователей, как появилась тенденция к развитию технологий хранения информации и что этому способствовало.
В то время как жесткие диски (HDD) продолжают использовать металлические пластины вращающиеся в пределах одной оси для записи и хранения информации, твердотельный накопитель (SSD) начали использовать каскад энергонезависимых микросхем (флеш-памяти) для хранения информации.
Необходимость в развитии и прогрессии технологии хранения и работы с информации, а точнее переход к использованию флеш-памяти, это естественный процесс развития параллельного вычисления, который описан в Законе Мура. В 2000-х годах развитие технологии работы с жесткими дисками начало отставать от постоянно увеличивающихся мощностей процессоров, пропускной способности памяти и компьютерных шин. На тот момент пропускная способность, которую могли обеспечить магнитные жесткие диски и интерфейс их подключения, стала «узким местом» и не позволяла обрабатывать очерёдность команд или производить чтение / запись на должном уровне, которая бы позволяла раскрыть весь потенциал процессора и других составляющих компьютера.
Первые наработки в технологии твердотельных накопителей появились в далёком 1978 году, но первые прототипы были введены в опытную эксплуатацию только в 2007 году. Первым, кому довелось испытать новую технологию, стали пользователи новой модели нетбука EEE PC 701 от копании ASUS. А уже следом в 2008 году был выпущен первый SSD накопитель с объемом 128 Gb.
В отличие от IDE SATA интерфейс не остановился в своей прогрессии, и уже в 2008 году появилась новая ревизия интерфейса под номером 3.0, которая на текущий момент остаётся эталонным решением и используется во всех без исключения материнских платах.
В силу того, что разъём SATA Express не получил должного распространения, а использование шины PCI Express оказалось довольно громоздким и не всегда целесообразным решением, у него появилась надстройка в виде разъёма M.2.
Фактически M.2 является более компактной реализацией SATA Express с поддержкой шины PCI Express 3.0 и SATA 3.0, в дополнение в надстройку M.2 была добавлена эмуляция интерфейса USB 3.0, что позволяет использовать M.2 не только для подключения твердотельных дисков, но и различных плат расширения, например Wi-Fi или Bluetooth.
В дополнение M.2 начал использоваться как замена mSATA и Mini PCI-E, которые получили распространение в мобильных решениях, различных тонких клиентах и ноутбуках.
Хоть все эти сокращения и аббревиатуры являются неотъемлемой частью в формирования понятия и представления о жестких и твердотельных дисков, их не стоит путать.
Давайте сделаем краткую выжимку из текста выше и попробуем расставить всё на свои места:
1. IDE (в последствии был переименован в PATA) — это параллельный интерфейс для подключения жестких дисков.
2. SATA — это последовательный интерфейс для подключения жестких дисков, который на протяжении своего жизненного цикла получил несколько номерных ревизий и улучшений.
3. Режим AHCI — это механизм или набор логики, который появился в SATA интерфейсе и используется для работы с накопителями информации.
Хотелось бы отметить, что для работы режима AHCI операционная система вашего компьютера должна поддерживать данный режим. Полноценная поддержка режим AHCI была добавлена в операционные системы Windows начиная с Windows Vista.
4. NVMe (NVM Express) — это спецификация протокола доступа и работы с твердотельным накопителям (SSD), которые подключены по шине PCI Express.
И только теперь после формирования у вас понятия и представления об интерфейсах и механизмах работы накопителей информации мы можем ответить на главный вопрос: «Что такое NVMe и чем он отличается от обычного твердотельного накопителя».
Интерфейсы подключения NVMe (M.2) SSD дисков
На момент написания статьи на рынке есть большое количество моделей SSD NVMe дисков с различными интерфейсами подключения, такими как SATA III (самый старый), PCI-E 2.0 x2, PCI-E 2.0 x4, PCI-E 3.0 x4, PCI-E 4.0 x4 (самый новый). И неподготовленному человеку довольно трудно понять, что значат все эти аббревиатуры и какая из них лучше. Поэтому постараемся ответить на этот вопросы как можно более простым языком. Ниже вы можете увидеть таблицу с теоретическими скоростями, которые позволяет достичь каждый из интерфейсов:
| Интерфейс подключения | ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ пропускная способность | РЕАЛЬНАЯ пропускная способность (по тестам) |
|---|---|---|
| SATA III | 6.0 Gb/s (750 MB/s) | |
| PCI-E 2.0 x2 | 8 Gb/s (1000 MB/s) | |
| PCI-E 2.0 x4 | 16 Gb/s (2000 MB/s) | |
| PCI-E 3.0 x4 | 32 Gb/s (4000 MB/s) | |
| PCI-E 4.0 x4 | 64 Gb/s (8000 MB/s) |
Как видно из таблицы, на текущий момент самым быстрым является интерфейс PCI-E 4.0 x4, т.к. он дает огромную скорость чтения и записи, а самым медленным SATA III.
Размеры NVMe (M.2) SSD дисков (форм-фактор)
В данный момент наиболее распространенными форм-фактором для NVMe дисков является M.2 2280 (т.е. размером 22мм х 80мм), также на рынке существуют и другие размеры, наиболее популярными из которых являются M.2 2230 (22мм х 30мм), M.2 2242 (22мм х 42мм), M.2 2260 (22мм х 60мм), M.2 22110 (22мм х 110мм). Более наглядно вы можете это увидеть на картинке ниже:
Стоит ли покупать NVMe (M.2) SSD диск?
Все зависит от того, для чего он вам нужен. NVME диск идеально подойдет в случае, если вы ставите операционную систему на этот диск (не важно Windows, Linux или что то другое), т.к. благодаря огромной скорости чтения и записи информации, ваша ОС будет загружаться очень быстро, а также будет минимум тормозов в процессе работы, если остальные комплектующие подобраны правильно. Также, если вы используете ресурсоемкие программы (видеоредакторы, моделирование и графика, компьютерные игры), то будет очень заметное увеличение производительности (например, скорость загрузки различных уровней в современных компьютерных играх). Одним словом любые программы, которые при своей работе должны много информации считывать с диска, либо наоборот записывать будут работать намного быстрее, чем если бы они были запущены со старого HDD или SSD диска.
Если же у вас уже есть какой-нибудь старый SSD диск, форм-фактора 2.5″, на который установлена ОС, а компьютер вы используете исключительно чтобы посмотреть ютуб и посидеть в социальных сетях, либо же редактировать документы Word, то особого смысла в покупке NVMe диска нет, т.к. хоть он и даст увеличение производительности в некоторых задачах, это не будет так заметно, как при переходе с HDD на SSD
Не только размер имеет значение или что нам принес новый протокол NVMe
Известная история. Как только появляются более мощные компьютеры, как только возрастает производительность процессоров и емкость носителей данных, и пользователь с облегчением вздыхает — «теперь мне всего и на всё хватит, не придется ужиматься и экономить», так почти сразу появляются новые потребности, отбирающие всё больше ресурсов, новое ПО, которое тоже «ни в чем себе не отказывает». Вечная проблема. Нескончаемый круговорот. И бесконечный поиск новых решений. Облачные хранилища, нейронные сети, искусственный интеллект — даже трудно себе представить, каких гигантских мощностей требуют эти технологии. Но не будем расстраиваться, ведь для любой задачи рано или поздно находится решение.
Одним из таких решений стал протокол NVM-express, который, как говорят специалисты, совершил революцию в использовании твердотельной энергонезависимой памяти. Что же такое NVMe и какие преимущества он принес с собой?
Скорость работы компьютера во многом зависит от быстроты считывания данных с носителей и скорости обработки команд. Какой бы высокопроизводительной не была операционная система в целом, всё может свести на нет обычный жесткий диск, который заставляет программы подтормаживать при открытии или «задумываться» при выполнении объемных задач. Не говоря уже о том, что HDD практически исчерпал свой потенциал по наращиванию объемов хранения информации и потому стал бесперспективным. А механический привод и подавно устарел и замедлял развитие компьютерных технологий.
И вот на смену HDD пришли SSD — твердотельные накопители, энергонезависимые немеханические запоминающие устройства. Первые накопители SSD появились на рынке во второй половине 2000-х. Довольно скоро они уже стали соперничать с жесткими дисками по объему. Но вот полностью раскрыть свой потенциал и преимущества в скорости, параллельности обращений к ячейкам долгое время не могли, потому что существующие интерфейсы и протоколы были построены по старым стандартам, призванным поддерживать накопители HDD через интерфейсы SATA и еще более древними SCSI (SAS).
Следующим шагом в раскрытии потенциала энергонезависимой памяти стал переход на шины PCI-express. Но для них к тому времени еще не были разработаны новые промышленные стандарты. И вот в 2012 году выпускаются первые компьютеры, в которых реализован протокол NVM-express.
Сразу следует обратить внимание на то, что NVMe — это не устройство и не интерфейс его подключения. Это протокол, а точнее — спецификация протокола обмена данными.
Поэтому словосочетание «накопитель NVMe» не совсем корректное, а сравнение типа «HDD — SSD — NVMe» абсолютно ошибочное и вводит в заблуждение пользователя, который только знакомится с темой. Правильно сравнивать HDD с SSD с одной стороны, SSD, подключенный через интерфейс SATA (по протоколу AHCI) и SSD, подключенный через шину PCI-express с использованием протокола NVM-express, с другой. Сравнивать HDD с SSD, вероятно, уже мало кому интересно. Все понимают разницу, и всем хорошо известны преимущества последнего. Разве что отметить некоторые (весьма разительные) преимущества. По сравнению с жёсткими дисками твердотельные накопители имеют меньший размер и вес, являются беззвучными, а полное отсутствие механических приводов делает их многократно более устойчивыми к повреждениям (например, при падении) да и просто увеличивает срок службы.
Сравнение возможностей SSD со старой шиной и старым протоколом и SSD на шине PCIe с протоколом NVMe, безусловно, представляет гораздо больший интерес и будет полезно всем, кто привык держаться в курсе новинок, тем, кто собирается купить новый компьютер и даже тем, кто, например, ищет лучший хостинг.
Интерфейс SATA, как уже говорилось, создавался для жестких дисков, головка которых одновременно физически может получить доступ только к одной ячейке. Ничего удивительного, что в SATA-устройствах всего один канал. Для SSD этого плачевно мало, ведь одно из их преимуществ — поддержка параллельных потоков. Контроллер SSD также управляет начальным позиционированием, что является еще одним существенным преимуществом. Шина PCI-express обеспечивает многоканальную работу, а протокол NVMe реализовывает это преимущество. В результате данные, хранящиеся на твердотельных накопителях, передаются через 65 536 параллельных очередей управления, каждая из которых может содержать одновременно более 65 536 команд. Сравните: SATA и SCSI могут использовать только одну очередь, поддерживающую до 32 и до 254 команд соответственно.
Кроме того, старые интерфейсы для выполнения каждой команды требуют двух обращений к оперативной памяти, а NVMe умудряется это делать за один раз.
Третьим существенным преимуществом является работа с прерываниями. Протокол NVMe разрабатывался для современных платформ, использующих многоядерные процессоры. Поэтому в него заложены параллельность обработки потоков, а также оптимизированный механизм работы с очередями и обработкой прерываний, что позволяет обеспечить более высокий уровень производительности. Иными словами, при появлении команды, имеющей более высокий приоритет, ее выполнение начинается быстрее.
Многочисленные тесты, проведенные различными организациями и экспертами доказывают, что скорость работы SSD NVMe в среднем в 5 раз выше, чем при подключении SSD по старым интерфейсам.
Теперь о том, всем ли доступны SSD, реализованные на PCIe с протоколом NVMe. И речь идет не только о стоимости. По цене такая реализация пока еще заметно выше, хотя цены на компьютерные компоненты, как известно, высоки лишь в самом начале продаж и имеют тенденцию к довольно быстрому снижению.
Речь идет о конструктивных решениях, о том, что на профессиональном языке принято называть «форм-фактором». Иначе говоря, в каком виде данные комплектующие выпускаются производителями. В настоящий момент на рынке существует три форм-фактора.
Первый так и называется «NVMe SSD». Он представляет собой плату расширения и подключается в те же слоты, что и видеокарта. Для ноутбука такая непригодна. Впрочем, как и для многих стационарных компьютеров, так как все большее их собирается на компактных материнских платах, где слотов PCIe бывает чаще два или даже один (который обычно занят видеокартой).
Второй форм-фактор — U2. Внешне он напоминает обычный жесткий диск, но гораздо меньше в размерах. U2 обычно используют на серверах, поэтому обычному пользователю вряд ли стоит его приобретать.
Третий — M2. Это наиболее развивающийся форм-фактор. Его активно используют в ноутбуках, а с недавнего времени он уже реализован и на некоторых материнских платах для стационарных ПК. Однако, приобретая себе M2 стоит быть очень внимательным, потому что в таком форм-факторе до сих пор выпускаются и SATA SSD.
Впрочем, внимательность нужна и при оценке целесообразности приобретения для себя любого из названных форм-факторов. Для начала следует оценить, есть ли в вашем ноутбуке или на материнской плате ПК нужные слоты. И даже если они есть, достаточно ли мощный процессор у вашего компьютера, потому что слабый процессор все равно не даст вам ощутить преимущества SSD. Если всё это у вас есть и к тому же вы часто оперируете большими массивами данных, безусловно, NVMe SSD — это то, что вам нужно.
На правах рекламы
VDS с NVMe SSD — это именно про виртуальные серверы от нашей компании.
Уже давно используем исключительно быстрые серверные накопители от Intel, мы не экономим на железе, только брендовое оборудование и одни из лучших дата-центров в России и ЕС. Поспешите проверить 😉
Что такое NVMe SSD: чем он лучше SATA
Аббревиатура NVMe уже давно вошла в повседневную жизнь, но что это такое? Чем NVMe SSD лучше SATA? Давайте разбираться.
Первые твердотельные накопители использовали устаревшие физические интерфейсы SATA/SAS и протоколы. Это объяснялось просто: производителям нужно было сократить издержки людей и компаний, собирающихся перейти с жестких дисков на SSD. Но ни один из этих интерфейсов и протоколов не был рассчитан на высокоскоростные накопители, откровенно тормозя их работу.
После появления PCIe ситуация немного улучшилась, но первые PCIe SSD не использовали никаких корпоративных стандартов, не имели единых функций и, в целом, затрудняли актуальное как для корпоративного, так и потребительского рынка масштабирование системы. Потребность в едином протоколе, способном работать с быстрыми SSD, нарастала. Поэтому неудивительно, что после появления NVMe, этот интерфейс быстро вошел в обиход и теперь используется практически во всех современных SSD.
NVMe или Non-Volatile Memory Express — это свежий протокол, разработанный специально для твердотельных накопителей, подключаемых по шине PCIe. Он обеспечивает намного более высокую скорость обмена данными по сравнению с SATA SSD, использующими AHCI, что объясняется сразу несколькими причинами.
Параллелизм и глубина очереди
Если устаревший SATA SSD может работать только с одной очередью, глубина которой ограничена 32 командами, то протокол NVMe добавляет твердотельным накопителям возможность одновременного обслуживания до 65 тысяч очередей с таким же числом команд в каждой.
Если проводить параллель с обычной жизнью, представьте себе забитый народом огромный торговый центр только с одной работающей кассой. Сколько времени вам придется провести в Центре, пока вы не сможете выйти из него с покупками? Это и есть SATA SSD. А теперь представьте тот же торговый центр с 65 тысячами касс, скорость обслуживания вырастет просто многократно. Конечно, на деле столько касс вам не понадобится, но в этом случае NVMe обеспечивает необходимый задел на будущее. Ведь прогресс не стоит на месте.