معرفی حافظه NVMe؛ سریع‌ترین فناوری ذخیره‌سازی

حافظه NVMe چیست؟ امروز با توجه افزایش بیگ دیتا و نیاز روزافزون به سرعت انتقال داده استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته به دغدغه اصلی مدیران IT تبدیل شده است. در حال حاضر NVMe جز جدیدترین تکنولوژی‌های فضای ذخیره‌سازی است که به دلیل سرعت بالای نرخ انتقال داده به گزینه‌ای محبوب برای استفاده در سرورها، رایانه‌های شخصی و لپ تاپ‌ها تبدیل شده است. ما در این مقاله از سایت دالمن افزار پارسه قصد داریم به این سوال پاسخ دهیم که NVMe چیست؟ چه کاربردی دارد؟ مزایا و معایبش چیست؟ و تفاوتش در مقابل SAS و SATA چیست؟ اگر قصد خرید SSD سرور مدل NVMe را دارید پیشنهاد می‌کنیم قبل از خرید حتما این مقاله را مطالعه نمایید.

NVMe چیست؟

NVMe مخفف Non-Volatile Memory Express و به معنی رابط کنترل کننده‌ی میزبان حافظه غیر فرار، یک رابط ذخیره‌سازی و پروتکل انتقال پیشرفته مبتنی بر PCIe است که به‌منظور اتصال حافظه‌های ذخیره‌سازی SSD به سرورهای hp و پردازنده‌ها طراحی شده است. برخلاف رابط‌های قدیمی مانند SATA یا SAS، این تکنولوژی با بهره‌گیری از خطوط مستقیم PCIe، تاخیر بسیار پایین‌تر و پهنای باند بالاتری را ارائه می‌دهد.

NVMe در سال 2008 توسط کنسرسیومی از تولید کنندگان بزرگ فناوری اطلاعات مانند اینتل، سامسونگ، دل، سیگیت، سن دیسک توسعه داده شد تا سرعت و عملکرد بهتری را در اختیار کاربران قرار دهد.

در ویدئو زیر به معرفی تکنولوژی nvme پرداخته شده است:

چرا حافظه NVMe معرفی شد؟

همانطور که گفتیم NVMe یک پروتکل ارتباطی است که برای حافظه‌های SSD طراحی شده و جایگزین محدودیت‌های پروتکل قدیمی SATA شد. قبل از NVMe، بیشتر SSDها از SATA استفاده می‌کردند که برای هارد سرورهای مکانیکی طراحی شده بود و باعث محدود شدن سرعت و کارایی SSDها می‌شد. از مشکلات اصلی SATA می‌توان به سرعت پایین، تاخیر زیاد و ضعف در پردازش همزمان چند دستور اشاره کرد. اما تکنولوژی NVMe توانست با سرعت بسیار بالاتر، تاخیر کمتر و توانایی پردازش همزمان هزاران دستور، امکان استفاده کامل از توان SSD را فراهم کند. به عبارت ساده، NVMe مانند تبدیل یک خیابان باریک تک‌لاین به یک اتوبان ۱۰ لاین با سرعت بالا است که داده‌ها سریع‌تر و همزمان‌تر منتقل می‌شوند.

به طور خلاصه، NVMe برای به حداکثر رساندن سرعت و کارایی حافظه‌های SSD ایجاد شد و باعث شد محدودیت‌های قدیمی SATA کنار گذاشته شود.

حافظه‌ NVMe چگونه کار می‌کند؟

در ادامه به بررسی نحوه عملکرد حافظه NVMe می‌پردازیم:

در معماری NVMe، هاست ابتدا دستورات ورودی/خروجی (I/O Commands) را در صف‌های مخصوص ارسال فرمان قرار می‌دهد و با فعال کردن Doorbell Registers، آن‌ها را علامت‌گذاری می‌کند تا کنترلر بداند آماده اجرا هستند. سپس کنترلر NVMe این دستورات را واکشی (fetch) کرده و اجرا می‌کند. پس از انجام هر دستور، کنترلر نتیجه را همراه با یک وقفه (interrupt) به صف تکمیل دستورات I/O بازمی‌گرداند.

میزبان پس از دریافت این نتایج، صف‌های تکمیل دستورات را ثبت می‌کند و Doorbell Registers را پاک می‌کند تا آماده دریافت دستورات بعدی شود. این مکانیزم باعث می‌شود انتقال داده به شکل موازی و سریع انجام شود و نسبت به پروتکل‌های سنتی مانند SAS و SATA، سربار CPU و حافظه کاهش چشمگیری داشته باشد.

NVMe از پایه بر اساس فناوری NAND Flash و با ارتباط مستقیم با گذرگاه PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) طراحی شده است. به لطف این معماری، NVMe می‌تواند میلیون‌ها عملیات I/O در ثانیه انجام دهد و تجربه‌ای با عملکرد بسیار بالا و تأخیر بسیار کم برای دسترسی به داده‌ها فراهم کند.

به طور خلاصه، طراحی موازی و ارتباط مستقیم با CPU باعث شده NVMe نسبت به پروتکل‌های قدیمی، سرعت و توان عملیاتی چشمگیرتری ارائه دهد و گزینه‌ای ایده‌آل برای SSDهای مدرن باشد.

عوامل موثر بر عملکرد بالای NVMe

1. پهنای باند بالا از طریق ارتباط مستقیم با PCIe

NVMe از گذرگاه PCIe (مثلاً PCIe 3.0، 4.0 یا 5.0) برای انتقال داده استفاده می‌کند. هر خط (Lane) در هر نسل PCIe نرخ انتقال مشخصی دارد و SSDهای NVMe می‌توانند از چندین خط به‌طور همزمان (مانند x4) بهره ببرند. همین معماری باعث ایجاد پهنای باند چندین برابری نسبت به SATA می‌شود و سرعت انتقال داده بسیار بالاتری را فراهم می‌کند.

2. صف‌های موازی و پردازش همزمان دستورات

یکی از نوآوری‌های مهم NVMe، پشتیبانی از حداکثر 64 هزار صف فرمان (64K) است که هر صف می‌تواند تا 64 هزار دستور را در خود نگه دارد. این معماری به سیستم‌عامل و پردازنده اجازه می‌دهد تعداد بسیار زیادی از درخواست‌های ورودی/خروجی (I/O) را به‌صورت همزمان و موازی مدیریت کنند. در مقابل، SATA تنها از یک صف فرمان با ظرفیت 32 دستور (NCQ) پشتیبانی می‌کند.

3. کاهش تأخیر 

طراحی NVMe به‌گونه‌ای است که داده‌ها را با کمترین تاخیر ممکن از پردازنده به حافظه منتقل می‌کند. حذف واسطه‌های اضافی و ارتباط مستقیم با PCIe باعث می‌شود زمان پاسخ‌گویی به چند میکروثانیه کاهش یابد، در حالی‌که در SSDهای مبتنی بر SATA این زمان به‌مراتب بیشتر است.

4. بهره‌وری بیشتر پردازنده
   پروتکل NVMe برای پردازنده‌های چند‌هسته‌ای بهینه‌سازی شده است. هر هسته CPU  سرور {توجه: بعد از ایندکس شدن صفحه لینک شود به صفحه cpu سرور} می‌تواند به صف‌های فرمان مجزا نگاشت شود و درخواست‌های I/O را بدون تداخل با سایر هسته‌ها مدیریت کند. این معماری باعث می‌شود توزیع بار پردازشی به‌صورت بهینه انجام شود و کارایی کلی سیستم افزایش یابد.

مزایا و معایب تکنولوژی NVMe

مزایا و معایب تکنولوژی NVMe به بررسی نقاط قوت و ضعف این فناوری در سرعت، کارایی و عملکرد سیستم‌ها می‌پردازد و نحوه تأثیر آن روی تجربه کاربری و پردازش داده‌ها را نشان می‌دهد. در ادامه به طور جداگانه به بررسی مزایا و معایب حافظه NVMe می‌پردازیم.

1. سرعت دسترسی بسیار بالا

NVMe باعث افزایش دسترسی به داده‌ها می‌شود و نسبت به رابط‌های قدیمی عملکرد بسیار بهتری دارد. در واقع وجود چندین لاین PCIe در حافظه NVMe سرعت انتقال داده‌ها را به چندین مگابایت بر ثانیه MB/s رسانده است.

2. کاهش مصرف انرژی

مصرف انرژی کم‌تر در مقایسه با تکنولوژی‌های قدیمی‌تر، باعث کاهش هزینه‌ی کلی مالکیت (TCO) برای سازمان‌ها و همچنین افزایش عمر باتری در دستگاه‌های قابل‌حمل می‌شود.

3. کاهش زمان پاسخ‌گویی در انتقال داده

طراحی حافظه های NVMe بر اساس معماری Point-to-Point و صف‌های دستوری متعدد باعث کاهش محسوس Latency یا همان تاخیر می‌شود.

4. افزایش تعداد عملیات I/O در ثانیه (IOPS)

NVMeتوان انجام تعداد بسیار بیشتری عملیات I/O در هر ثانیه را فراهم می‌کند از این رو برای محیط‌هایی که نیازمند IOPS بالا هستند مانند دیتابیس‌ها و ماشین‌های مجازی، بهترین گزینه است.

5. بهره‌گیری مؤثر از پردازنده‌های چند‌هسته‌ای

NVMe عملکرد بالایی را در چندین هسته‌ی CPU به‌صورت هم‌زمان ارائه می‌دهد و دسترسی سریع به داده‌های حیاتی را ممکن می‌سازد.

6. مقیاس‌پذیری برای حال و آینده

NVMe امکان گسترش سریع و آسان سیستم‌ها بدون نیاز به پیکربندی درایورهای مختلف را فراهم می‌کند.

7. پشتیبانی از پروتکل‌های امنیتی استاندارد

NVMe از استانداردهای امنیتی رایج پشتیبانی می‌کند و امنیت داده‌ها را تضمین می‌نماید.

8. پشتیبانی از نسل جدید حافظه‌ها

NVMe با انواع حافظه‌های مدرن غیر فرار مثل NAND Flash و 3D XPoint کار می‌کند این مهم باعث می‌شود SSDها سرعت بالاتر، ظرفیت بیشتر و دوام طولانی‌تری داشته باشند. در نتیجه سیستم شما سریع‌تر کار می‌کند و داده‌هایتان با اطمینان بیشتری ذخیره می‌شوند.

سخن پایانی

NVMe یک فناوری پیشرفته است که با عملکرد قابل توجه، از رقیب خود SATA پیشی گرفته است. این فناوری با ارائه سرعت بالای انتقال داده، تأخیر کم و توان عملیاتی بالا در کنار مزایای دیگر، جایگزین رابط‌های قدیمی شده و به استاندارد جدید در دیتاسنترها و سیستم‌های حرفه‌ای تبدیل شده است. همچنین حافظه NVMe با بهره‌گیری از خطوط داده PCIe می تواند ارتباط مستقیمی بین دستگاه ذخیره‌سازی با CPU برقرار کند. 

اگر قصد ارتقا سرور خود را دارید انتخاب حافظه های NVMe می‌تواند یک انتخاب هوشمندانه باشد.

منبع:

https://www.cisco.com/site/us/en/learn/topics/computing/what-is-nvme.html

https://www.kingston.com/en/ssd/what-is-nvme-ssd-technology

مترجم: اسما دادرس محبوب