Что такое NVMe и как он отличается от SATA SSD и M.2

Аббревиатура SSD означает Solid State Drive. Это твердотельный накопитель в ПК. Он хранит данные в микросхемах, а не в круглых металлических пластинах, как жесткий диск HDD. 

В работе SSD участвуют следующие компоненты:

• печатная плата — основа SSD со всеми ее частями;

• флеш-память, которая хранит данные в виде электрического заряда;

• кэш — хранилище временных данных;

• контроллер — компонент, который записывает или читает данные на диске.

Сегодня очень важна скорость передачи данных. От банального быстрого запуска ПК до загрузки приложений и открытия «тяжелых» файлов. Высокая скорость работы устройств хранения файлов важна и для серверных компьютеров. Например, работа файловой базы «1С: Бухгалтерия», размещенной на SSD, станет быстрее на 30%. Поэтому SSD-накопители необходимы сегодня. 

Первый твердотельник выпустили в 1976 году. Он назывался Dataram BulkCore. У него было 8 планок RAM-памяти по 256 КБ каждая. Через 2 года StorageTek создала накопитель на 45 МБ, а в 1982 году для ПК Apple II разработали SSD RAMDISK 320. В 1987 году был разработан тип флэш-памяти NAND, использующийся в современных накопителях.

Широкое распространение ССД получили в 2003 году, когда Transcend создала накопители емкостью от 16 до 512 МБ. Три года спустя Samsung и Sandisk начали массовый выпуск твердотельников. А OCZ Technologies выпустили SSD объемом 32 ГБ.

К 2010-м годам износостойкость, скорость работы и компактный размер сделали SSD популярным устройством для хранения данных.

NVM расшифровывается как Non Volatile Memory или энергонезависимая память. Это высокоскоростной протокол передачи данных для SSD через шину PCI-Express (отсюда буква «e» в аббревиатуре «NVMe»). Она разработана для достижения максимально высокой скорости передачи данных, которую как раз способен обеспечить PCIe. Для подключения SSD через NVMe нужен адаптер-соединитель для PCIe или разъем M.2. SSD NVMe можно подключить без установки дополнительных драйверов.

Работа NVMe основывается на прохождении очередей команд. Это могут быть очереди отправки (SQ) или завершения (CQ). Хост подает накопителю команды на чтение или запись в SQ, а накопитель отправляет отчет об их выполнении через CQ. NVMe-накопитель выполняет команды несинхронно. Также SSD этого типа может обрабатывать команды и передавать данные параллельно. Это помогает достичь высокой производительности, поскольку снижается время ожидания и увеличивается ресурс накопителя. Несколько очередей команд могут быть распределены по разным ядрам ЦПУ. Это дополнительно ускоряет работу накопителя.

У NVMe есть и дополнительные функции: безопасное стирание и выбор режима питания. Стандарт может работать с 65 535 очередями команд одновременно. Диски могут подключиться как по 2, так и по 4 контактам PCIe. Максимальная скорость стандарта — 3 500 МБ/сек.

Для подключения к материнской плате SSD пользуются не только технологией NVMe, но и SATA — интерфейсом, ставшим развитием стандарта ATA (IDE) для подключения HDD к материнской плате.

Накопитель SATA подключается к материнской плате через 2 разъема: 7-контактный для передачи данных и 15-контактный для питания. В 7-контактном разъеме два контакта предусмотрены для передачи данных, два — для приема и три — для заземления (GND). Данные передаются на диск и обратно битами.

У стандарта SATA 3 версии и у каждого из них есть своя теоретическая пропускная способность:

• SATA I — 1,5 Гбит/с или 150 МБ/с;

• SATA II — 3 Гбит/с или 300 МБ/с;

• SATA III — 6 Гбит/с или 600 МБ/с.

Значение в МБ/сек приведено нетто, с учетом кодирования 8 b/10 b. Все стандарты SATA обратно совместимы. Это значит, что накопитель с разъемами более позднего стандарта будет работать с материнской платой через разъем более раннего образца. Но пропускная способность при этом будет равна значениям старшего стандарта.

Интерфейс SATA и AHCI protocol

AHCI — это один из режимов подключения SSD SATA диска и других компонентов компьютера: процессора, оперативной памяти, кода драйвера. Он позволяет принимать нескольких запросов (NCQ), делать горячую замену диска без его отключения. Одновременно AHCI может обрабатывать до 32 запросов. Изначально этот режим использовался для работы с HDD, но в первой половине 2010-х годов начал применяться в SSD SATA.

AHCI дает больше возможностей, чем классический SATА, но они не сравнятся с возможностями NVMe. Пропускная способность AHCI, как и интерфейса SATA, ограничивается 600 МБит/сек. Поскольку AHCI предназначен для классических жестких дисков, полностью раскрыть возможности SSD он не может.

M.2 — это не стандарт подключения SSD. В широком смысле это форма спецификации компьютерных карт расширения с разными функциями, например, цифрового радио и Wi-Fi-модуля. Также под M.2 понимают компактный форм-фактор SSD-накопителей с размерами не больше, чем у модуля оперативной памяти. Карты M.2 поддерживают наличие разъемов PCIe и SATA 3.0. Соответственно, стандарт подключения M.2 SSD может быть как SATA, так и NVMe.

Стандарт подключения твердотельника M.2 различают прежде всего по ключу — вырезу на 75-контактном разъеме на краю платы. У M.2 SATA ключа два — B и M с обеих сторон, у M.2 NVMe — только M слева. У M.2 NVMe-накопителей прошлых лет встречались ключи B и M, но сейчас такие модели не производятся.

Различия в работе M.2 SSD с этими стандартами подключения в целом те же, что и в случае с другими форм-факторами. M.2 SATA SSD быстрее классического жесткого диска, но медленнее, чем M.2 NVMe. Но NVMe-вариант сильнее греется SATA-версии. Опытные пользователи приводят наблюдение, при котором программа измерения температуры комплектующих показала температуру M.2-NVMe-накопителя в 80 градусов Цельсия. Но тепловизор в то же время зафиксировал температуру в 100 градусов Цельсия.

Сравним два стандарта подключения накопителей:

Плюсы:

• быстрые чтение и запись, по сравнению с накопителями стандартов HDD и SSD. Этому способствует большое число одновременных очередей;

• короткая задержка в работе, поскольку диск встраивается в материнскую плату через разъем PCIe;

• быстрая работа с оперативной памятью;

• компактный размер. Часто NVMe-накопители не больше планки оперативной памяти. При этом у них может быть высокая емкость — до 1 ТБ и более;

• снижение нагрузки на центральный процессор, поскольку накопитель берет часть функций по передаче данных на себя.

Минусы:

• высокая цена, по сравнению с накопителями SATA и жесткими дисками.

• более сильный нагрев и энергопотребление, в сравнении с SATA. Если NVMe SSD работает в ноутбуке, последний быстрее разрядится;

• качества стандарта трудно заметить в повседневных задачах, таких как работа с проводником и копирование небольших файлов.

Несмотря на то что NVMe — новый стандарт передачи данных у SSD, он нашел применение в компьютерах разного назначения. Рассмотрим примеры.

Домашние ПК (стационарные, ноутбуки). С NVMe SSD они работают быстрее, чем с традиционными HDD или SATA SSD. Особенно это важно геймерам, играющим в требовательные игры.

Рабочие компьютеры для творческой деятельности: 3D-дизайна, видеомонтажа, моделирования. NVMe-диски помогут быстрее загрузить тяжелые файлы.

Работы с техническими данными. NVMe используют в машинах для инженерного проектирования, создания программного обеспечения, науки. Хранилища этого типа помогут быстро обратиться к объемным данным.

Хостинги, виртуальные сервера. NVMe хорошо справляются с большим числом запросов от пользователей, хранением объемных данных.

Модели искусственного интеллекта, нейросети. Для обучения ИИ нужны хранилища с быстрым откликом. Этими качествами обладает NVMe-хранилища.

Медицина. NVMe-накопитель поможет хранить и быстро открыть данные о пациентах, в том числе файлов снимков с высоким разрешением.

Big Data. NVMe-диски помогают анализировать большие данные в системах Spark и Hadoop.

Промышленность, системы управления и мониторинга заводов и предприятий. Хранилища с NVMe делают ПО для управления процессами быстрее и снижают задержки при работе.

Если вы пользуетесь обычным домашним компьютером, который не используется для ресурсоемких задач, вам хватит накопителя с разъемом SATA. Но для полного раскрытия возможностей твердотельника нужно приобрести SSD NVMe. 

Твердотельник с новым стандартом подключения пригодится в:

• корпоративном сервере;

• компьютере для работы с графикой;

• геймерском ПК.

Кстати, даже в бесплатную конфигурацию виртуальных машин в Cloud.ru входит 30 ГБ SSD NVMe.

• NVMe и SATA — это два стандарта подключения HDD и SSD к материнской плате. M.2 — это спецификация компьютерных плат расширения, в том числе SSD. По характеристикам NVMe выигрывает у SATA.

• Главные достоинства NVMe — быстрая работа с данными и взаимодействие с другими компонентами компьютера, низкая нагрузка на процессор. 

• Хранилища NVMe станут основой серверов нового поколения, которые смогут хранить крупные объемы данных. При этом хранилища не будут занимать много физического места. Со временем стандарт NVMe заменит SATA.

• Если пользователь нетребователен к мощностям своего ПК, он может выбрать диск с SATA. Но если он работает с объемными файлами, ему стоит выбрать накопитель с NVMe.