Чим NVMe краще SATA і чому вам пора переходити на ці SSD

Автор: Микола Половинкін | 21 вересня 2021, 00:12
Чим NVMe краще SATA і чому вам пора переходити на ці SSD

Коли-небудь ринок зробить це за вас. Тобто, переведе ваші комп'ютери на NVMe. Старі SATA-накопичувачі можна буде знайти тільки на блошиних ринках, в музеях або військових бункерах, де десятиліттями нічого не оновлюється. Якщо ви не хочете чекати милості від прогресу і хочете побачити реальні докази на користь NVMe прямо зараз, то цей текст для вас. Увага: в ньому буде багато незрозумілих слів і абревіатур, так що наберіться хоробрості.

Про що взагалі мова?

Ми говоримо про відмінності між SSD-накопичувачами SATA і NVMe. Хоча, строго кажучи, ці два поняття не можна порівнювати напряму. Справа в тому що NVMe - це протокол зв'язку, Який може використовуватися в накопичувачах різних форм-факторів, а SATA - інтерфейс з цілком конкретними характеристиками і певним роз'ємом для підключення. Тобто, спрощуючи, ми, звичайно, розповімо, чому NVMe краще SATA, але в голові тримаємо розуміння цієї особливості.

NVMe - це ж новий стандарт, вірно?

Щодо. З 2009 по 2011 рік робоча група працювала над першою версією стандарту, а з тих пір він вже був кілька разів оновлений. Найсвіжіша версія на сьогодні носить назву NVMe 1.3c. Що стосується пристроїв, що використовують його в роботі, то перші комерційні продукти з'явилися в 2013 році. Дивлячись на те, як швидко розвиваються технології, в 2021 році як-то не назвеш NVMe новинкою, це, скоріше, вже мейнстрім.

А що було до нього? Як працювала зв'язок з SSD-накопичувачами?

Зараз розповім, але почати доведеться з самого початку. 

Античність: Parallel ATA (IDE)

Про жодні масових SSD-накопичувачах в далеких 80-х мова, звичайно, не йшла, але інженерне завдання вже з'явилася. Вона полягала в обміні даними між комп'ютерами типу PC і накопичувачами, роль яких виконували традиційні магнітні жорсткі диски і знімні носії. З легкої руки компанії IBM в ужиток увійшла 16-бітна шина ISA, під яку спочатку і розробили інтерфейс IDE (Integrated Drive Electronics). У цьому, нині застарілому, рішенні використовувалося кілька тодішніх «кілер-фіч»: інтеграція в накопичувач, стандартизація команд, підтримка двох пристроїв на кожному каналі. Старожили напевно пам'ятають джампери «master / slave» на жорстких дисках (для визначення ролей цих самих двох пристроїв), але, можливо, забули, що спочатку обсяг IDE-накопичувачів був обмежений 528 мегабайтами. Звичайно, з розвитком стандарту це обмеження пішло в історію, як і окремі інтерфейси для оптичних приводів. Збільшилася і швидкість роботи: з'явився прямий доступ до пам'яті (DMA), і знаючі люди стали співчутливо хитати головою, почувши, як у товариша «диск звалився в PIO» (т. Е. Через неполадки перейшов в старий режим Programmed input / output , через що став дико гальмувати і вантажити процесор при роботі). Але для якісного стрибка потрібна була зовсім нова технологія, і їй став більш практичний і швидкий інтерфейс SATA.

Новий час: Serial ATA і AHCI

Характерні червоні (як правило) кабелі з 7-контактними роз'ємами можна зустріти і в сучасних системних блоках. Першою версією цього інтерфейсу вже 18 років в обід, з тих пір SATA-накопичувачі наростили максимальну швидкість передачі даних з 1,5 до 6 Гбіт / с. З логічної точки зору SATA теж сильно відрізняється від IDE. В основі роботи SATA-накопичувачів лежить механізм AHCI (Advanced Host Controller Interface). Цікаво, що одне з його найважливіших нововведень - технологія NCQ (Native Command Queuing) - спочатку розрахована на роботу з жорсткими дисками. Вона сортує команди таким чином, щоб магнітна голоска виконувала менше рухів для доступу до різних ділянок обертових пластин. Уявляєте собі цю палеонтологію: де магнітні пластини, і де сучасні швидкі SSD? Однак не всі SSD однаково швидкі. Перші версії твердотільних накопичувачів змушені були використовувати існуючу на той момент екосистему. З точки зору системної архітектури це виглядає приблизно так: процесор і пам'ять через шину (зрозуміло, вже давно не ISA, а актуальну PCIe) зв'язуються з хост-адаптером AHCI, що працює з пристроями SATA. Твердотельная пам'ять може працювати набагато швидше, тому потрібно було максимально спростити роботу з нею, прибравши всіх посередників. Так з'явилася технологія NVMHCI (Non-Volatile Memory Host Controller Interface), більш відома як NVMe, що працює безпосередньо з шиною PCI Express.

Виходить, NVMe накопичувач можна підключити безпосередньо в PCIe, як відеокарту?

Так, але на практиці все залежить від конструкції конкретного накопичувача. Моделі, призначені для установки в слот PCI Express і конструктивно виготовлені у вигляді класичних плат розширення - порівняно рідкісне явище на масовому ринку. У серверах застосування знайшли кілька різних форматів, від класичних 2,5-дюймових U.2 до більш специфічних Intel EDSFF і компактних Samsung NGSFF. У звичайних комп'ютерах сучасні NVMe-накопичувачі по-старому можуть упаковуватися в 2,5-дюймовий корпус, але все частіше використовують компактний роз'єм M.2. І з ним пов'язана деяка плутанина, якої важливо уникнути при підборі компонентів. Справа в тому, що фізично роз'єм М.2 використовується для підключення як NVMe, так і SATA-накопичувачів. Так, є SSD, понині використовують повільне SATA-підключення. Візуально різницю можна зрозуміти завдяки двом характерним прорізах на коннекторе, за швидкістю же SATA обмежує накопичувач планкою в 600 МБ / с.  


SSD-накопичувач М.2 з SATA

SSD-накопичувач М.2 з NVMe

інтерфейс PCIe SATA III
протокол NVMe AHCI
шина PCIe x2 x4 PCIe x2 x4 SATA III
Форм-фактор M.2, U.2, PCIe M.2, PCIe M.2, 2,5 "
Макс. швидкість читання > 3000 МБ / с > 2000 МБ / с > 500 МБ / с
Макс. швидкість запису > 2000 МБ / с > 1500 МБ / с > 500 МБ / с

О, давайте про швидкість. Наскільки швидко працює NVMe?

Як ми вже знаємо, NVMe працює безпосередньо з шиною PCI Express і теоретично обмежений її пропускною спроможністю. Нагадаю, що специфікація найсвіжішого PCI Express 4.0 визначає стелю швидкості в 8 ГБ / с для чотирьох ліній (а саме в такому режимі, як правило, працюють SSD-накопичувачі). У прийдешньому PCI Express 4.0 цей поріг виросте ще вдвічі. Різниця вражає, правда?


Так, але реальна швидкість адже менше? За рахунок чого вона збільшується?

Зрозуміло, є нюанси. Адже не дарма в AHCI впровадили чергу команд NCQ в прагненні підвищити продуктивність накопичувачів. У NVMe в порівнянні з SATA планка можливостей набагато вище, тому арсенал для її освоєння теж серйозний. Перш за все - це радикальним чином змінена робота з чергами команд. Для ілюстрації змін найкраще підійде таблиця.

AHCI NVMe
Максимальна глибина команд одна чергу команд, 32 команди в черзі 65536 черг, 65536 команд в черзі
Некешіруемие запити регістра (кожен по 2К циклів) 6 на команду без черги, 9 на команду в черзі 2 на команду
MSI-X і управління переривань одне переривання, без управління 2048 MSI-X переривань
Паралелізм і багатопоточність з блокуванням синхронізації без блокування
Ефективність для 4КБ команд параметри команди вимагають двох вибірок від хоста DRAM  параметри команди передаються в одній 64-байтной вибірці

У самих командах теж навели порядок, їх стало менше (всього 13, якщо не брати до уваги керівників і резервних), працювати з ними стало простіше. Особливо з урахуванням того, що NVMe-контролер є частиною накопичувача і обмін даними відбувається без зайвих посередників.

Круто, але як правильно вибрати NVMe-накопичувач?

По-перше, вас вже можна привітати з правильним вибором технології. SATA-диски в 2021 році є сенс купувати тільки для вирішення специфічних завдань, тому NVMe - варіант за замовчуванням.

По-друге, давайте подивимося на конкретні типи NVMe-пристроїв, які можна рекомендувати до вибору, і їх характеристики.

дивіться на форм-фактор. У переважній більшості випадків ваш вибір - компактний M.2. Формат 2,5 дюймових накопичувачів зазвичай використовується для моделей працюють по SATA, вони нам нецікаві. Якщо у вас чомусь немає роз'єму M.2, але є бюджет на дорогий і продуктивний накопичувач, то зверніть увагу на SSD, реалізовані у вигляді карти PCI Express. Є й інші, менш поширені формати, але, швидше за все, вам вони не знадобляться, тому що використовуються в основному в серверах і системах зберігання даних, ми згадували їх вище.

Габарити. Так, вони залежать від форм-фактора, але зверніть особливу увагу на них, якщо вибираєте накопичувач для ноутбука, неттопа або домашнього медіацентру в компактному корпусі. У деяких випадках потрібно буквально виміряти вільне місце лінійкою, а потім порівняти з характеристиками вибраного пристрою перед покупкою. Обробити напилком не влазить в корпус плату накопичувача не вийде, так що будьте уважні. 

Не забудьте про версію PCI Express. В даний момент ви можете зустріти SSD, що працюють як з третьої, так і з четвертою версією цього стандарту. PCI Express 4.0 швидше, але його підтримка повинна бути закладена на рівні материнської плати.

Тип пам'яті. Це питання виходить на рамки обговорення NVMe і відноситься до самого флеш-накопичувача. Різниця між типами полягає в щільності зберігання даних. Чим щільніше, тим оптимальніше за ціною, але потенційно повільніше. Найшвидшим, але і не масової, можна вважати пам'ять типу SLC, далі по зростанню щільності йдуть MLC, TLC і QLC. Однозначно сказати, що пам'ять якогось одного типу явно краще, ніж пам'ять іншого, було б неправильно. Виробники постійно оптимізують технології створення чіпів, тому тип пам'яті не повинен бути ключовим фактором. 


SSD-накопичувачі Samsung з NVMe

Редакція gg дякує компанії Samsung за допомогу в підготовці цього матеріалу.

Модель Тип SSD Швидкість читання / запису
970 Evo Plus
 M.2 PCIe 3.0 x4 V-NAND MLC до 3500 МБ / с
до 3000 МБ / с
970 Pro
 M.2 PCIe 3.0 x4 V-NAND MLC до 3500 МБ / с
до 2700 МБ / с
980
 M.2 PCIe 3.0 x4 V-NAND MLC до 3500 МБ / с
до 3000 МБ / с
980 Pro
 M.2 PCIe 4.0 x4 V-NAND MLC до 7000 МБ / с
до 5000 МБ / с

Samsung SSD NVMe: наступний рівень продуктивності SSD

  • в 6.2 рази перевищують швидкість SSD-накопичувачів стандарту SATA
  • швидкість читання до 7000 МБ / с (в 2 рази швидше, ніж SSD з інтерфейсом PCIe 3.0, і в 12.7 рази швидше, ніж SSD з інтерфейсом SATA)
  • вбудований фірмовий алгоритм термоконтроля підвищує довговічність і стабільність
  • додаток Samsung Magician для контролю стану, оптимізації продуктивності і захисту даних
  • якість і надійність світового беззмінного лідера з 2003 року в провадженні флеш-пам'яті
  • гарантія 5 років

Для тих, хто хоче знати більше

Українська версія gg виходить за підтримки MasterCard
Читайте gg українською у Telegram