Что такое NVMe у твердотельных накопителей SSD

NVMe или NVM-Express – это протокол передачи информации между твердотельным накопителем и другими компонентами системы с использованием линий PCI-Express. Он создан специально для SSD с целью повышения скорости обмена данными, а, следовательно, и производительности системы.

Существуют ошибочные мнения, что NVMe – это интерфейс подключения твердотельных накопителей формата M.2 или даже его форм-фактор. Это не строгая ошибка, а всего лишь понятный вариант обозначения протокола для простоты восприятия широким кругом пользователей.

Протокол NVMe стал эволюционным шагом после предыдущего стандарта передачи данных с использованием контроллера AHCI со скоростью чтения 550 МБ/с и скоростью записи 330 МБ/с.

Протокол NVMe позволяет добиться скоростей чтения до 984,6 МБ/с по четырем каналам PCI Express, что в сумме дает 3,94 ГБ/с для версии pci-e 3.0 и до 7,8 ГБ/с для версии pci-e 4.0 при использовании четырех линий.

Пользовательские SSD с протоколом NVMe появились в 2012 году. А корпоративные твердотельные накопители увидели свет годом позже в виде серверных дисков форм-фактора U.2 от компании Samsung. Привычный нам накопитель NVMe SSD в форм-факторе М.2 был представлен публике в 2015 году и получил невероятную популярность в сегменте производства ноутбуков.

Преимущества протокола NVMe

Накопители SSD существенно отличаются от обычных жестких дисков HDD скоростями записи и чтения. Но накопители с поддержкой протокола NVMe обеспечивают максимальный уровень производительности за счет следующих опций

Увеличение очереди команд и количества самих очередей

Спецификация NVMe предусматривает одновременное использование до 65 535 очередей с количеством команд в очереди до 65 535. При этом накопитель способен самостоятельно оптимизировать очереди, выставляя приоритеты для повышения быстродействия.

На самом деле на сегодняшний день для домашних и рабочих компьютеров такие высокие способности не востребованы, однако в корпоративной среде они позволяют значительно улучшить сервис хранения данных.

Одновременная работа с многоядерными процессорами или процессорными системами

Эта опция отвечает за такой показатель производительности систем как параллелизм. Каждое ядро центрального процессора способно управлять несколькими очередями команд, а за приоритет задач отвечает технология управления прерываниями.

Сокращение задержек

Эта опция реализована написанием специального набора команд для SSD с протоколом NVMe, который призван убрать задержки запросов и оптимизировать время, затрачиваемое процессором на их реализацию.

Увеличение эффективности связки SSD-RAM

Для чтения данных с массива твердотельного накопителя с протоколом AHCI от оперативной памяти требовалось два запроса. Протокол NVMe использует только один запрос размером 4 Кб. Это существенно увеличивает скорость взаимодействия оперативной памяти и твердотельного накопителя, особенно при запросах на небольшие объемы информации.

Преимущества при использовании в серверах

Наибольшая эффективность протокола NVMe прослеживается в работе серверов и дата-центров, поскольку преимущества реализуются только при высоких уровнях загрузки. NVMe SSD Enterprise существенно повышают пропускную способность систем, снижают вероятность экстренной перезагрузки серверов и повышают защищенность системы от DDoS-атак.

Эффективное обслуживание

Благодаря алгоритмам, разработанным специально под протокол NVMe поддерживается стабильная и непрерывная работа твердотельных накопителей даже во время тестирования системы. Все процедуры по управлению работой сервером происходят без отключения пользователей. Также разработчиками предусмотрена возможность горячей замены проблемного накопителя без падения общего качества услуг.

Недостатки твердотельных накопителей с протоколом NVMe

Протокол NVMe, реализованный в твердотельных накопителях обладает и некоторыми недостатками:

Первым и самым очевидным минусом NVMe SSD является высокая стоимость единицы хранения информации, даже по сравнению с SSD на интерфейсах SATA и SAS, не говоря уже о самом бюджетном и распространенном варианте – HDD. И если в случае с домашним компьютером переход на новый формат сопровождается одноразовыми затратами, которые не перегрузят бюджет, то перевод сервера на твердотельные накопители NVMe может привести к необходимости повышения абонентской платы за услуги до двух раз.

Второй особенностью, которую стоит учитывать при установке твердотельного накопителя с протоколом NVMe является существенный нагрев. Современные материнские платы предусмотрительно имеют отдельный радиатор на интерфейсе PCI-Express для накопителей формата М.2. В случае с сервером владельцу придется позаботиться об усилении эффективности охлаждения системы.

Еще одним моментом, который стоит учесть, является повышенное потребление энергии. В случае с настольным ПК этот фактор особого значения для схемы питания не имеет. Но владельцам серверов опять-таки придется полностью пересмотреть систему электропитания серверного оборудования.

Но самым существенным недостатком при комплектации серверов является ограниченное количество подключаемых накопителей. Поскольку диски NVMe завязаны на шину PCI-e, количество прямых подключений как правило составляет не более 8 накопителей на процессор и 24 – на систему. В то же время топологии SAS/SATA позволяют через экспандеры задействовать более 240 дисков на одну систему, даже выделив для этого всего лишь один слот PCI-Express.

Кому нужны диски NVMe

Из вышесказанного вы уже поняли, что твердотельные накопители, работающие по протоколу NVMe - это действенный, но не бюджетный способ повысить производительность серверов, обеспечив многопоточность и высокую скорость выполнения запросов.

С необходимостью установки SSD NVMe в домашние ПК дело обстоит немного сложнее. Оптимальным будет его использование под установку операционной системы и рабочих программ, особенно если пользователь увлекается профессиональной обработкой фото и видеоматериалов. А вот скорость работы игр не измениться. Максимум, чего можно добиться установкой игровых приложений на массив диска NVMe – это ускоренная на несколько секунд процедура запуска игры. Сам же игровой процесс в большей степени определяется производительностью видеокарты, центрального процессора и оперативной памяти.

Короткое видео о презентации твердотельного накопителя WD Blue SN550 NVMe, который обеспечивает скорость более чем в 4 раза выше лучших твердотельных накопителей с интерфейсом SATA.