Что такое NVMe: почему эта технология изменила рынок накопителей

Современные технологии хранения данных переживают стремительные изменения, и одной из самых значительных инноваций последних лет стало появление NVMe. Эта технология произвела революцию в индустрии хранения данных благодаря своей высокой скорости, низким задержкам и эффективному использованию ресурсов. Она открыла новые возможности как для обычных потребителей, так и для корпоративных решений, и задала новые стандарты производительности.

Далее мы рассмотрим, что такое технология NVMe, в чем заключаются ее особенности, а также обсудим ее основные отличия от традиционных интерфейсов, таких как SATA и SAS. Мы узнаем, где сегодня используются решения NVMe – от персональных компьютеров до серверов и портативных устройств, а также проанализируем, какие плюсы и минусы она несет для пользователей и бизнеса.

NVMe представляет собой относительно новую технологию для взаимодействия с твердотельными накопителями (они же известны как SSD). Она была разработана для того, чтобы добиться максимальной скорости передачи информации между носителями, и обеспечивать при этом минимальные задержки. В этом плане технология ушла далеко вперед обычных решений.

Технология была разработана в конце 2000-х годов. В 2009 году группа разработчиков, включая компании Intel, Samsung и другие лидеры индустрии, начали работу над NVMe, чтобы создать протокол, способный раскрыть возможности флеш-памяти. Первый стандарт NVMe был представлен в 2011 году. В последующие годы технология быстро развивалась и получила широкое распространение в потребительских и серверных решениях, в чем вы убедитесь по ходу прочтения.

До появления NVMe большинство информационных накопителей подключались через интерфейсы SATA или SAS. Эти технологии были разработаны гораздо раньше и предназначались для работы с медленными жесткими дисками, известными как HDD. В накопителях такого типа информация записывается на вращающиеся пластины, поэтому скорость записи ограничена числом оборотов.

Со временем, когда на рынке начали появляться твердотельные накопители SSD, стало очевидно, что старые интерфейсы вроде SATA и SAS не способны полностью раскрыть потенциал их скорости и обеспечить минимальную задержку в работе с потоками данных. Нужна была новая технология.

Если сравнить NVMe с предыдущими стандартами SATA и SAS, то NVMe выигрывает по всем ключевым показателям: скорость отправки и приема информации, задержка, масштабируемость. Это делает ее в большинстве случаев оптимальным решением для использования в составе современных систем, где скорость доступа к данным представляет критическую важность.

Несмотря на появление NVMe, старые технологии по типу SAS SSD и SATA SSD никуда не пропали и все еще используются. В связи с этим есть смысл сравнить эти три решения по важным параметрам.

NVMe демонстрирует максимальную способность к транзиту цифровых сигналов среди всех трех технологий. NVMe может использовать несколько линий PCIe одновременно, что позволяет дискам из потребительского сегмента достигать скорости вплоть до 7000 МБ/с на современных устройствах с интерфейсом PCIe 4.0 или даже до 14 000 МБ/с с PCIe 5.0. Например, SSD с 4 линиями PCIe версии 3.0 может достигать скорости около 3500 МБ/с. Это уже в несколько раз быстрее в сравнении с SATA.

SAS работает несколько быстрее, чем SATA, но уступает NVMe. Стандарт SAS 4.0 может предложить скорости до 24 Гбит/с, что эквивалентно около 3000 МБ/с для одного канала. Однако, в отличие от SATA, SAS может использовать несколько каналов для параллельной передачи данных, что повышает его производительность при работе в сервере.

SATA III упирается в физическое скоростное ограничение в размере всего лишь 6 Гбит/с, что эквивалентно около 550-600 МБ/с для чтения и записи данных. Это медленнее, чем у NVMe и SAS, что делает SATA плохим выбором для объемных задач, но подходящим для обычных ПК.

Далее под задержкой понимается время, которое требуется для обработки запроса на чтение или запись данных. Чем меньше параметр, тем быстрее накопитель обрабатывает запрос, тем производительнее накопитель.

Так как PCI-E взаимодействует с центральным процессором напрямую, это минимизирует задержки при работе NVMe SSD. Это особенно важно для серверов, дата-центров и других приложений, где скорость обработки данных играет критическую роль из-за большого числа задач.

У SAS SSD задержка выше, чем у NVMe, но ниже, чем у SATA. У последнего с этим все так относительно плохо из-за того, что он изначально разработан для жестких дисков, которые значительно медленнее по сравнению с SSD. В реальных условиях задержки SATA SSD могут составлять несколько миллисекунд, но это критично.

NVMe поддерживает до 64 000 очередей команд, каждая из которых может обрабатывать до 64 000 команд параллельно. Это делает его идеальным решением для многозадачных приложений и сценариев, где требуется одновременная обработка большого количества операций. Для серверов и ЦОД — это огромное преимущество, которое дает NVMe работать с огромными объемами данных.

SAS также поддерживает многопоточность, хотя и в меньшей степени, чем NVMe.  SATA может работать только с одной очередью с 32 командами, что значительно ограничивает его возможности при одновременной обработке множества запросов.

Сегодня технология NVMe используется не только в корпоративных серверных решениях, но и в потребительских устройствах, включая ноутбуки, игровые консоли и персональные компьютеры, ноутбуки и не только.

Давайте же подробнее рассмотрим возможности применения в этих сферах.

В последние годы NVMe стал своего рода стандартом для высокопроизводительных устройств в потребительском сегменте, особенно для персональных компьютеров, игровых ПК и ноутбуков. Эта технология помогает пользователям быстрее загружать операционные системы, приложения и игры, предлагая гораздо более высокую производительность по сравнению с интерфейсами SATA.

Особой популярностью пользуются накопители форм-фактора М.2. Они не занимают много места в системном блоке или корпусе ноутбука, и могут использоваться в перечисленных видах задач: 

• Загрузка операционных систем. Поддержка скорости обмена данными до 7000 МБ/с сильно ускоряет загрузку ОС и приложений. Как правило, на это уходит не больше 3-5 секунд. 
• Игры и мультимедиа. В игровых ПК и ноутбуках NVMe обеспечивает молниеносную загрузку игр и более быстрое время отклика в процессе игры. Игровые энтузиасты ценят NVMe за возможность практически мгновенно загружать уровни и минимизировать задержки при обработке текстур и данных. Особенно это заметно в крупных играх с открытым миром.
• Работа с большими объемами данных. Видеофайлы высокого разрешения, графические проекты или сложные модели в 3D-программах – все это загружается гораздо быстрее. 

В последнее время стоимость накопителей с поддержкой NVMe в потребительском секторе падает, решения становятся более доступными, и это хорошо влияет на их популярность. Именно благодаря этому в последнее время все больше пользователей отказываются от SATA SSD и тем более громоздких и хрупких HDD в пользу надежных, компактных и производительных NVMe-накопителей.

В корпоративном секторе и дата-центрах технология NVMe стала революционным решением для повышения производительности серверных систем и облачных платформ. С его помощью компании получили возможность обрабатывать огромные объемы данных с низкими задержками.

Для серверных решений NVMe предлагается в нескольких форм-факторах, в числе которых такие:

• U.2 и U.3. Эти форматы дисков разработаны для серверных стоек, тем самым обеспечивают высокую плотность хранения данных и производительность. Формат U.3 предлагает обратную совместимость с U.2 и позволяет использовать как SAS, так и NVMe устройства.
• M.2. Также используется в серверах, но чаще для задач, где требуется менее объемное, но быстрое хранилище, например, для кэширования данных или работы с приложениями.
• EDSFF. Специально разработанный для серверных решений формат, который увеличивает плотность размещения дисков в серверах, улучшает теплоотвод и упрощает подключение.
• HHHL. Накопители такого плана применяются в высокопроизводительных серверах, где важен максимальный уровень скорости и стабильности работы без сбоев и отказов. 

Вот несколько задач, с которыми технология NVMe отлично справляется в корпоративном секторе:

• Работа с базами данных. В базах данных, особенно с высокими требованиями к чтению и записи данных, NVMe обеспечивает молниеносную обработку транзакций и запросов, что критично для чувствительных к времени ответа приложений. Например, размещение базы данных 1С: Предприятие на NVMe-накопителе дает серьезный прирост производительности.
• Виртуализация и облачные технологии. Виртуальные машины и облачные платформы требуют высокой пропускной способности для обработки запросов множества пользователей одновременно. NVMe в этом контексте помогает быстрее распределять ресурсы, что снижает задержки и улучшает общую производительность системы.
• Обработка больших данных и аналитика. Для серверов, работающих с большими объемами данных, NVMe становится ключевым элементом инфраструктуры. В системах, где требуется обработка в реальном времени, как в системах больших данных или аналитических платформах, NVMe помогает существенно снизить задержки, поднять производительность.

Кроме того, технология значительно увеличила эффективность работы в сферах искусственного интеллекта и машинного обучения. Обработка данных для алгоритмов машинного обучения и AI требует высокоскоростного доступа к большому количеству данных. Именно это и дает NVMe.

Ноутбуки, игровые консоли, мобильные рабочие станции и прочие портативные устройства активно используют преимущества NVMe. Например, современные ноутбуки, особенно те, которые предназначены для работы с тяжелыми приложениями или для игр, используют NVMe-накопители для улучшения общей производительности системы. Здесь можно выделить пару примеров: 

• Ноутбуки. NVMe-накопители позволяют геймерам наслаждаться высокой скоростью загрузки игр и минимальными задержками при доступе к игровым данным. Это особенно важно для AAA-игр, требующих большого объема памяти для текстур и уровней. В ультрабуках NVMe-накопитель позволяет пользователям быстрее работать с документами, программами и мультимедиа, обеспечивая быстрое время загрузки и улучшенную отзывчивость системы.
• Портативные игровые приставки. Игровые консоли по типу Steam Deck поддерживают установку накопителей компактного форм-фактора М.2 2230. Несмотря на то, что они очень маленькие, они значительно более производительные и отзывчивые на фоне конкурентов типа SATA и SAS.
• Смартфоны. Об этом знают немногие, но именно NVMe-память используется для хранения данных на смартфонах популярного американского бренда Apple. Благодаря миниатюрным накопителям модели iPhone работают так быстро. 

Новейшие игровые консоли, такие как PlayStation 5 и Xbox Series X по умолчанию оснащаются NVMe SSD накопителями, которые обеспечивают высокую производительность в игровых приложениях.

Высокая популярность технологии NVMe обусловлена большим рядом преимуществ. Кроме ранее рассмотренных плюсов по типу большой скорости и низких задержек, есть и другие достоинства:

• Широкий спектр форм-факторов. Технология поддерживает несколько форм-факторов, что делает ее универсальным решением как для компактных устройств, так и для крупных серверных систем. В том числе этим обусловлено такое распространение NVMe-дисков.
• Эффективность использования ресурсов. Решение создано специально для работы с флеш-накопителями и использует ресурсы процессора и памяти более эффективно. В отличие от SATA и SAS, NVMe обеспечивает лучшее распределение ресурсов, что позволяет уменьшить нагрузку на процессор и снизить потребление энергии относительно своих конкурентов.
• Обратная совместимость с PCIe. NVMe использует шину PCI Express, которая уже давно применяется в ПК. Это означает, что для использования информационных накопителей не нужно внедрять новые интерфейсы – можно воспользоваться уже существующими.

Кроме того, технология NVMe активно развивается. С каждым новым поколением PCIe увеличивается не только пропускная способность, но и технические характеристики накопителей. В то время как PCIe 4.0 уже предлагает впечатляющую скорость, PCIe 5.0 и будущие версии будут открывать еще больше возможностей с кратным ростом производительности на фоне предыдущих поколений.

Как и в случае с любой другой технологией, не обошлось и без ряда недостатков, которые следует учитывать прежде, чем безоговорочно переходить на использование накопителей NVMe.

Высокая производительность NVMe SSD приводит к увеличению тепловыделения, особенно в интенсивных задачах, таких как рендеринг, работа с большими базами данных или игры. Для сохранения эффективности и предотвращения перегрева накопители NVMe-накопители формата М.2 с высокой производительностью уже с завода оснащаются радиатором пассивного охлаждения. Серверные накопители форматов U.2 и U.3 изначально заключены в металлический корпус, который отводит лишнее тепло.

Хотя большинство современных материнских плат поддерживают NVMe через интерфейс PCIe или M.2, более старые системы могут не иметь необходимого оборудования для подключения таких накопителей. Это может потребовать либо обновления материнской платы, либо использования переходников, что создаст лишние затраты для пользователей, желающих перейти на NVMe.

Старые материнские платы, особенно с сокетами LGA2011-3, LGA2011, LGA 1150 и LGA 1155 могут поддерживать подключение NVMe-накопителей через специальные переходники. Однако в этом случае могут возникнуть проблемы с загрузкой операционной системы из BIOS, так как у последнего в старых материнских платах, как правило, нет специального DXE-драйвера для поддержки NVMe.

Количество доступных линий PCIe, распаянных и задействованных на конкретной материнской плате в персональном компьютере или на сервере может ограничивать производительность при использовании нескольких NVMe накопителей. Например, если на материнской плате есть только 16 линий PCIe, а одновременно используются видеокарта и несколько NVMe дисков, то производительность накопителей может снижаться из-за распределения этих линий.

В целом эффективность системы полностью упирается в количество линий PCIe, которые поддерживаются процессором. В этом вопросе SATA и SAS имеют преимущество перед NVMe, так как системы, построенные на таких накопителях, более гибкие в плане масштабирования и могут поддерживать большое количество устройств для хранения данных.

Это особенно актуально для серверов или рабочих станций, где требуется одновременно подключать несколько устройств через PCIe, и ресурс линий может стать серьезным ограничением.

Технология NVMe предоставляет значительные преимущества в скорости, задержке и многозадачности, делая ее идеальным выбором для систем с высокими требованиями к скорости и производительности работы, серверов и дата-центров. Можно с уверенностью сказать, что такие накопители закрывают до 99% задач на потребительском рынке. Что касается серверов, там NVMe-диски внедряются в самых современных серверных платформах, которые основаны на центральных процессорах с большим количеством PCI-E линий и используют PCI-E Switch для увеличения плотности размещения накопителей.

Для тех, кому важны высокая производительность, минимальные задержки и работа с большими объемами данных, NVMe – это оптимальное решение, которое способно радикально улучшить скорость работы систем. Однако для базовых задач и бюджетных решений накопители на основе SATA могут оставаться более практичным и доступным вариантом, если нет строгих требований к производительности и низким задержкам.