Was ist eine NVME-Festplatte?

nvme ist ein Solid-State-Laufwerk; es handelt sich um eine Spezifikation für Solid-State-Laufwerke, die PCI-E-Kanäle verwenden. Der Zweck der NVME-Spezifikation besteht darin, die geringe Latenz und Parallelität des PCI-E-Kanals sowie die Parallelität moderner Prozessoren, Plattformen und Anwendungen voll auszunutzen, um die Lese- und Schreibleistung von Solid-State-Laufwerken erheblich zu verbessern bei kontrollierbaren Speicherkosten Reduzieren Sie die durch die AHCI-Schnittstelle verursachte hohe Latenz und entfesseln Sie die ultimative Leistung von Solid-State-Laufwerken im SATA-Zeitalter.

Die Betriebsumgebung dieses Tutorials: Windows 7-System, Dell G3-Computer.

NVMe ist eigentlich ein logischer Geräteschnittstellenstandard wie AHCI, eine Spezifikation für Solid-State-Laufwerke, die PCI-E-Kanäle nutzen. Zu Beginn des Designs nutzte NVMe die geringe Latenz und Parallelität von PCI-E voll aus . Der offensichtlichste Vorteil gegenüber herkömmlichen Solid-State-Laufwerken mit SATA-Kanälen sind die extrem hohen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten.

NVMe ist die Abkürzung für Non-Volatile Memory Express (Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification). Es handelt sich um ein Protokoll, das den schnelleren Betrieb von Solid-State-Laufwerken (SSD) ermöglicht und sich mittlerweile bei Unternehmensanwendern immer größerer Beliebtheit erfreut populär wird es.

Der einfachste Weg zu verstehen, was NVMe ist, ist die Verwendung einer Analogie – nehmen wir an, Sie haben gerade einen Sportwagen gekauft, der eine Geschwindigkeit von 400 Stundenkilometern erreichen kann, was dem Drei- bis Vierfachen der Geschwindigkeit Ihres vorherigen alten Autos entspricht. Das einzige Problem besteht darin, dass auf normalen Straßen nicht mit einer solchen Geschwindigkeit gefahren werden darf und die Geschwindigkeitsbegrenzung auf normalen Stadtstraßen mehrere zehn Kilometer pro Stunde beträgt und häufig Probleme mit dem Verkehrsfluss berücksichtigt werden müssen. Wenn Sie möchten, dass Ihr Sportwagen schneller fährt, müssen Sie ihn anders fahren.

Dieses Szenario ähnelt ein wenig der Situation in der Speicherbranche, nachdem Hersteller SSDs auf Basis der Flash-Speichertechnologie auf den Markt gebracht haben. Die Flash-Technologie ist um ein Vielfaches schneller als herkömmliche mechanische Festplatten (wie viel schneller hängt vom verwendeten Gerät ab), aber die frühen Geräte nutzten alle dieselben SATA- oder SAS-Anschlüsse wie Festplatten, um sich mit Systemen und Netzwerken zu verbinden. Während diese Schnittstellen für die Leistung, die ein Festplattenlaufwerk (HDD) bieten kann, ausreichend sind, führen sie bei SSDs zu Engpässen. Dies ist insbesondere bei Big-Data-Analysen in Unternehmen und anderen datenintensiven Arbeitslasten ein Problem.

Diese Leistungsprobleme haben dazu geführt, dass Menschen nach besseren Möglichkeiten suchen, SSDs mit Servern zu verbinden, und hier kommt NVMe ins Spiel.

1. Was ist NVMe?

Der NVMe-Protokollstandard wird von NVM Express überwacht, einem Konsortium aus mehr als 100 Organisationen, die sich für die Entwicklung schnellerer Protokolle zur Verbesserung der nichtflüchtigen Speicherleistung einsetzen. Die Organisation wird von einem Vorstand aus 13 Unternehmen geleitet, darunter Cavium, Cisco, Dell EMC, Facebook, Intel, Micron, Microsemi, Microsoft, NetApp, Samsung, Seagate, Toshiba Memory und Western Digital.

Die höchste theoretische Geschwindigkeit, die eine Festplatte erreichen kann, verglichen mit der höchsten theoretischen Geschwindigkeit, die SATA und NVMe bieten.

Die offizielle Definition von NVMe beschreibt es als „einen offenen Satz von Standards und Informationen zur vollständigen Entfesselung des nichtflüchtigen Speichers“. NVMe ist von Grund auf so konzipiert, dass es aktuellen und zukünftigen NVM-Technologien einen Speicherzugriff mit hoher Bandbreite und geringer Latenz bietet. Eine Schnittstellenspezifikation, die Speicher mit Servern verbindet, sodass SSDs schneller mit Hostsystemen kommunizieren können. Es hilft, Engpässe zu lindern, die auftreten, wenn Flash-Speicher über SAS oder SATA, die ursprünglich für Festplatten konzipiert waren, an das System angeschlossen wird.

2. NVMe ist viel schneller als SATA oder SAS

NVMe-Controller verbessern die Leistung auf verschiedene Weise. Eine besteht darin, den PCIe-Bus zu verwenden, der den Speicher direkt mit der System-CPU verbindet. Durch diese direkte Verbindung entfallen einige der für SATA erforderlichen Schritte und verbessert die Gesamtleistung.

Darüber hinaus erreicht NVMe SSD weitgehend Parallelität, was den Durchsatz erheblich verbessert. Wenn Daten vom Speicher zum Serverhost übertragen werden, gelangen sie in eine Zeile oder Warteschlange. Herkömmliche SATA-Verbindungen unterstützen nur eine Warteschlange und können jeweils nur 32 Daten empfangen. Um auf die Auto-Analogie zurückzukommen: Es ist so, als hätte man nur eine Fahrspur für 32 Autos.

Und NVMe-Speicher unterstützt bis zu 64.000 Warteschlangen, jede Warteschlange hat 64.000 Einträge. Mit anderen Worten: Es ist, als würde man von einer Einbahnstraße zu einer Straße mit 64.000 Fahrspuren wechseln, auf denen jeweils 64.000 Autos Platz finden, was einen enormen Einfluss auf die Gesamtleistung hat.

So wie unsere Analogie besagt, dass auf städtischen Straßen im Allgemeinen eine Geschwindigkeitsbegrenzung von mehreren zehn Kilometern pro Stunde gilt, gelten auch für SATA- und SAS-Verbindungen Geschwindigkeitsbegrenzungen. Für SATA beträgt die theoretische maximale Übertragungsgeschwindigkeit 6,0 Gbit/s (in der Praxis ist die maximale Übertragungsgeschwindigkeit viel niedriger). Dies entspricht dem Festlegen einer Obergrenze für die Betriebsgeschwindigkeit von SATA-SSDs. Ab einer bestimmten Grenze hat die Verwendung von schnellerem Flash-Speicher keinen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems, da die SATA-Verbindung einen Engpass erzeugt.

Für die meisten Verbraucher bietet eine SATA-SSD ausreichend Leistung, um tägliche Aufgaben zu erledigen. Und da SATA-SSDs günstiger sind als NVMe-SSDs, verwenden die meisten Solid-State-Speicher der Verbraucherklasse immer noch die SATA-Schnittstelle.

Allerdings verarbeiten Unternehmen in der Regel viel mehr Daten als Verbraucher, und für sie kann die durch eine SATA-Verbindung verursachte Latenz zum Problem werden.

Die Intel 750-Serie ist eines der Solid-State-Drive-Produkte, das die NVMe-Technologie unterstützt

3. Da NVMe-Laufwerke viel schneller als SATA sind, scheint die Kombination von NVMe und HDD zu verbessern wie eine gute Idee. Beachten Sie jedoch, dass NVMe für Non-Volatile Storage Interface Specification steht und speziell für nichtflüchtige Speicher wie NAND-Flash entwickelt wurde (obwohl es auch mit neueren nichtflüchtigen Speichern wie 3D XPoint verwendet werden kann).

Wenn das System Daten von der Festplatte liest, kann es jeweils nur ein Datenelement lesen. Weil es sich drehen muss, um an die richtige physische Position für den ersten Block zu gelangen, sich dann erneut drehen muss, um an die richtige Position für den zweiten Block zu gelangen, und so weiter. Flash-Speicher und andere nichtflüchtige Speichertechnologien hingegen haben keine beweglichen Teile. Das bedeutet, dass das System Daten von vielen verschiedenen Standorten gleichzeitig lesen kann. Aus diesem Grund können SSDs die Parallelität von NVMe nutzen, HDDs jedoch nicht.

4. PCIe und NVMe hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe.

Für viele Menschen ist die Beziehung zu PCIe der verwirrendste Teil von NVMe. Einige Anbieter verwenden die Bezeichnung NVMe, um ihre SSDs zu bezeichnen, andere verwenden die Bezeichnung PCIe und wieder andere scheinen die Begriffe austauschbar zu verwenden.

Während PCIe und NVMe eng miteinander verbunden sind, beziehen sich die beiden Begriffe auf leicht unterschiedliche Technologien. Stellen Sie sich PCIe als den physischen Teil des Systems vor. Wenn Sie eine NVMe-SSD an einen Server anschließen, müssen Sie sie über einen PCIe-Steckplatz anschließen.

Im Gegensatz dazu ist NVMe ein Protokoll, eine Reihe von Software- und Hardwarestandards, die es SSDs ermöglichen, den PCIe-Bus zu nutzen. Es genügt zu sagen, dass NVMe die Sprache ist, die es Speichergeräten ermöglicht, eine Verbindung zu Servern herzustellen, während PCIe die eigentliche physische Verbindung ist.

5. NVMe-oF verbindet SSD mit dem Netzwerk

Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf Standard-NVMe, das SSD direkt mit dem Server verbindet, aber die NVM Express-Organisation hat auch die Spezifikation von NVMe over Fabric (NVMe-oF) veröffentlicht Der nichtflüchtige Speicher für Blockspeicher wird an das Netzwerk angeschlossen. Nach Angaben der Organisation definiert „NVMe-oF eine gemeinsame Architektur, die eine Reihe von Speichernetzwerk-Fabrics für das NVMe-Blockspeicherprotokoll auf der Speichernetzwerk-Fabric unterstützt. Dazu gehört die Aktivierung von Front-End-Schnittstellen in Speichersystemen, die eine große Anzahl erweitern.“ von NVMe-Geräten und Erweiterung der Reichweite von NVMe-Geräten und NVMe-Subsystemen im Rechenzentrum.

Die NVMe-oF-Spezifikation ist zu etwa 90 % mit der NVMe-Spezifikation identisch, verwendet jedoch einen anderen Transportzuordnungsmechanismus. NVME-oF gibt es außerdem in zwei verschiedenen Varianten: eine für RDMA und eine für Fibre Channel.

Die NVMe-oF-Spezifikation ist auch viel neuer als die NVMe-Spezifikation. Obwohl einige Hersteller die Unterstützung dieser Technologie angekündigt haben, verkaufen nur wenige Hersteller tatsächlich NVMe-Produkte. Erwarten Sie, dass diese Technologie in den kommenden Jahren immer häufiger eingesetzt wird.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in der Rubrik „FAQ“!

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