Содержание:
- Что такое NVMe
- В чём разница между SSD и NVMe дисками
- Что дает применение NVMe
- Где используются диски NVM Express
- Перспективы технологии
Твердотельные накопители (или SSD) с недавних пор стали стандартом качества на потребительском и профессиональном рынке компьютерного оборудования. По данным аналитиков агентства TrendFocus, в 2020 году SSD-диски впервые обошли HDD по числу единиц, поставленных на мировой рынок.
Однако, технологии передачи данных, которые изначально применялись в SSD, перестали отвечать современным требованиям к скорости обработки массивов информации. Помещение флеш-памяти в форм-факторы механических жёстких дисков и использование старых интерфейсов ради обратной совместимости налагало серьезные ограничения на твердотельные накопители. Чтобы задействовать весь потенциал технологии, крупные игроки IT-индустрии создали NVM Express — новый стандарт высокопроизводительного интерфейса для SSD.
В этом обзоре мы подробно разберем, что представляет собой спецификация NVM Express. Расскажем, в каких форм-факторах она представлена, а также что значит применение нового стандарта подключения накопителей для бизнеса в практическом плане.
Что такое NVMe
Аббревиатура NVM Express (NVMe, NVMHCIS) расшифровывается как «спецификация интерфейса хост-контроллера энергонезависимой памяти». Эта технология позволяет задействовать особые преимущества накопителей, основанных на флеш-памяти типа NAND и 3D XPoint (Intel Optane).
Предпосылки создания
До NVM Express SSD-устройства подключались к компьютерам с помощью интерфейсов Serial ATA (SATA) или SAS, которые использовали режим работы AHCI для передачи данных. Эта технология разрабатывалась для традиционных механических жёстких дисков и имела существенные физические ограничения на скорость одновременной передачи данных, а также на время, необходимое для произвольного доступа к памяти.
К концу 2010-х технологическое развитие SSD-дисков упёрлось в лимиты пропускной способности интерфейса SATA. Максимальная скорость передачи данных шины составляла 6 Гбит/с или 750 Мбайт/с. А, с учётом системных издержек — не более 550 Мбайт/с.
Производители устройств для профессиональных и продвинутых пользователей смогли обойти ограничение, путём подключения SSD через интерфейс PCI Express. Однако эта стратегия позволила решить проблему со скоростью лишь частично.
Как появилась технология NVMe
Изначально спецификация NVMe была призвана упростить процесс тестирования того, как аппаратное ПО взаимодействует с энергонезависимой памятью по шине PCI Express. Позже технология стала промышленным стандартом для основных форм-факторов (U.2, M.2, AIC, EDSFF), в которых выпускаются SSD-диски.
Дорожная карта развития спецификаций NVM Express / Источник: nvmexpress.org
Протокол NVMe был анонсирован общественности в 2007 году на форуме разработчиков компании Intel. Первая рабочая версия спецификации (1.0) вышла в марте 2011 года, а текущая (2.0a) датируется июлем 2021.
Сегодня развитием технологии занимается большое международное сообщество компаний и разработчиков, которое было основано в 2014 году.
Поддерживаемые ОС
NVM Express поддерживают все основные операционные системы. Microsoft добавила встроенную поддержку NVMe в Windows 8.1 и Server 2012 R2 в октябре 2013 года. Также были выпущены модификации для Windows 7 и Server 2008 R2, доступные через Центр обновления Windows (Windows Update).
Apple добавила совместимость с OS X Yosemite версии 10.10.3 в апреле 2015 года. Поддержка NVMe в Linux реализована в марте 2012 года, начиная с ядра 3.3. С февраля 2015 года она доступна в дистрибутиве Chrome OS.
Поддержка NVMe накопителей есть в OpenBSD 6.0, NetBSD-current, FreeBSD 10.2, DragonFly BSD 4.6, а также в Oracle Solaris 11.2 и в таком ответвлении OpenSolaris как illumos. Совместимость VMware появилась в vSphere 6.0. Естественно, следующие версии этих продуктов (Windows 10, OS X 10.4 Mojave и т. д.) сохраняют поддержку NVM Express.
В чём разница между SSD и NVMe дисками
Улучшенная архитектура
Высокопроизводительные твердотельные накопители NVMe не имеют ограничений на пропускную способность, которая присуща стандартам SATA/SAS и AHCI, разработанным ещё для традиционных жёстких дисков. В традиционных дисках для чтения/записи множества файлов головка должна молниеносно перемещаться от одного участка пластины к другому. Хотя кэширование и другие ухищрения маскируют это, традиционные диски эффективно работают лишь с одним файлом одновременно.
В результате в традиционном стандарте AHCI предусмотрена только одна очередь и максимум 32 команды в ней. Поскольку у твердотельных дисков такого ограничения нет (как и головки), эта наследственная характерная черта AHCI только ухудшает их работу. NVMe разрешает до 65535 очередей и до 65536 команд в каждой (так предусмотрено спецификацией, хотя практическое использование потребует соответствующий контроллер).
К тому же, NVMe накопитель позволяет 2048 MSI-X прерываний, а AHCI — только одно такое прерывание в режиме без управления. У NVMe также снижены системные издержки: параметры команд в 4 Кбайт выполняются за одно чтение памяти, а не за два, как у AHCI. Кроме того, выполнение параллельных инструкций не требует синхроблокировки.
Повышенная производительность
Концепция протокола NVMe ориентирована на максимальное использование преимуществ твердотельной флеш-памяти для достижения лучшей производительности.
На относительную производительность твердотельных дисков влияют многие факторы — тип флеш-памяти, контроллер, прошивка. Чтобы точно понять, как на данной фактор влияет использование NVM Express, нужно сопоставить важнейшие функциональные параметры (например, скорость записи и чтения) у аналогичных моделей без этой технологии и с ней.
Вот, например, беспристрастное сравнение моделей WDS100T2B0B и WDS100T2X0C. Это относительно свежие диски SSD от Western Digital ёмкостью 1 Тбайт, выполненные на одной и той же технологии 3D TLC NAND.
Первый — это SATA/AHCI-диск со скоростью последовательного чтения/записи 560 и 530 Мбайт/с соответственно. Его IOPS — число операций ввода-вывода в секунду — 95 000 для произвольного чтения и 84 000 для записи.
Второй же жесткий диск SSD выполнен на шине PCIe/NVMe. Его последовательная скорость чтения — 3400 и записи — 2800 Мбайт/с, а аналогичные произвольные параметры — 500 000 и 400 000 IOPS.
Совместимость стандартов
Ранние SSD на PCI Express использовали AHCI, либо собственную спецификацию. В первом случае сохранялись все недостатки производительности при произвольном чтении/записи. Во втором, работа устройства сильно зависела от изготовителя или даже конкретной модели одной и той же марки.
Обходить нетипичные стандарты подобных дисков приходилось с помощью особых драйверов. В результате, накопители было сложно использовать в роли загрузочного диска Windows или Linux, если производитель не поддерживал данные ОС.
NVM Express избавился от подобных проблем с помощью общего дискового интерфейса с единой спецификацией драйверов.
Разнообразие форм-факторов
Традиционные жёсткие диски обычно поставлялись в форм-факторах 2,5 или 3,5 дюймов, а SSD — в формате 2,5 дюйма с разъемом mini-SATA (mSATA). У NVMe-дисков появилось большее разнообразие форм-факторов.
Самый типичный формат NVMe — M.2 имеет 22 мм в ширину и 30, 42, 80 или реже 110 мм в длину. Он сохраняет обратную совместимость с SATA. Есть и формат NF1 — это вариант M.2, рассчитанный на ЦОД и с поддержкой горячей замены аппаратного обеспечения.
У дисков интерфейса U.2 (ранее SFF-8639) формат — 2,5 дюйма. Предусмотрен специальный разъем для PCI Express. Некоторые диски сегмента хай-энд доступны только в виде плат PCI Express, обычно форм-фактора HHHL (half height, half length, «половинной высоты, половинной длины»).
Что дает применение NVMe
Приход NVM Express в отрасль сулит мощный рост производительности баз данных. В 2015-м исследователи из Университета Южной Калифорнии и Университета штата Калифорния в Сан-Хосе, сотрудничавшие с Samsung, установили, что при ядре Linux 3.14 архитектурные отличия NVMe «снижают системные программные издержки вчетверо».
Более того, они указали, что, при прямом сравнении дисков NVMe и SATA, первый «демонстрирует восьмикратный выигрыш производительности» при рабочей нагрузке на базу данных. Аналогично один NVMe-диск превосходит по производительности RAID0-массив из четырёх дисков SATA SSD «до пяти раз».
Для полу- и профессионального использования — редактирования графики или обработки видео — выгоды уже скромнее, поскольку они зависят больше от обычной скорости чтения/записи, чем от произвольных операций ввода-вывода. В этом случае восьмикратный рост производительности — как то было с базами данных — нереален.
Для подтверждения, вернёмся к приведенному ранее примеру с дисками WDS100T2B0B и WDS100T2X0C. Тесты показывают, что SSD с поддержкой NVMe дают увеличение скорости чтения в 6 раз, а записи — в 5,25 раз, по сравнению с аналогичным SATA SSD-диском.
Где используются диски NVM Express
NVMe SSD доступны в комплектациях большинства относительно современных компьютеров. Что же касается пользователей Mac, то Apple поддерживает NVMe с 2015 года, когда этот тип накопителя стал использоваться на Retina MacBook.
С 2016 года диски NVMe появились на MacBook Pro c Touch Bar. Контроллеры NVM Express поддерживаются и большинством моделей Retina iMac, начиная с середины 2017 года, а также всеми конфигурациями iMac Pro.
Новые материнские платы на PC часто оснащены разъёмами M.2 для подключения SSD. Если же нет, то доступны переходники, позволяющие подключить диски M.2 через разъёмы PCI Express. Некоторые производители поставляют их в комплекте с диском. Тем не менее, доступны и недорогие устройства-дженерики, совместимые с любым оборудованием.
Технологические перспективы и конструктивные реалии
Производительность NVMe-дисков не в последнюю зависит от версии PCI Express и доступного числа линий. Так, PCI Express 2.0 поддерживает пропускную способность 500 Мбайт/с на линию, а PCI Express 3.0 — около 985.
Старые компьютеры с PCI Express 2.0 могут использовать NVMe-диски, но большинство из них применяет четырёхлинейный интерфейс, который ограничивает теоретическую скорость до 2000 Мбайт/с. А из-за накладных потерь, она ещё и на 10-15% ниже. Получается, что достижение скорости чтения в 3400 Мбайт/с для упомянутой выше модели WDS100T2X0C на практике невозможно.
Проблема замечена у ноутбуков Lenovo линейки ThinkPad. Материнские платы некоторых моделей с процессорами Intel 8-го поколения (Kaby Lake Refresh) выделяют для SSD только две линии PCIe 3.0, хотя сами диски (в этом случае Samsung PM981) спроектированы под четыре.
Samsung оценивает скорость их чтения в 3200, а записи в 2400 Мбайт/с, однако тест ThinkPad P52s показал только 1777 и 1722 Мбайт/с, соответственно. Этот конструктивный недостаток есть у моделей E480, L480, T580 и T480. Но X280, T480s, X380 Yoga и X1 Carbon G6 уже задействуют четырёхлинейный интерфейс SSD.
Хотите, чтобы сайт работал максимально производительно? Размещайте его на VDS от Eternalhost — быстрые NVMe-диски, бесплатная защита от DDoS и бдительная техподдержка 24/7.
Автор оригинала: James Sanders
