آشنایی با تکنولوژی NVME

NVMe مخفف عبارت non-volatile memory express است که یک رابط کنترل‌کننده سیستم میزبان و پروتکل ذخیره‌سازی است. از آن برای تسریع سرعت انتقال داده‌ها بین سیستم‌های سازمانی و مشتری و درایوهای حالت جامد از طریق گذرگاه اکسپرس پرسرعت Peripheral Component Interconnect کامپیوتر ایجاد شده است.
NVMe معمولاً برای ذخیره سازی حالت جامد، حافظه اصلی، حافظه نهان یا حافظه پشتیبان استفاده می‌شود. این فناوری، به عنوان یک جایگزین برای سیستم کامپیوتر کوچک (SCSI) و فناوری پیشرفته (ATA) برای اتصال و انتقال داده‌ها بین یک سیستم میزبان و یک دستگاه ذخیره سازی هدف ارائه شده است.

NVMe برای کار با سیستم‌های سریعتر طراحی شده است. مزیت اصلی درایوهای SSD PCIe مبتنی بر NVMe نسبت به سایر انواع ذخیره‌سازی کاهش تاخیر و عملیات ورودی/خروجی سریعتر در ثانیه (IOPS) است.
از آنجایی که فناوری حالت جامد به سیستم غالب در بازار ذخیره سازی تبدیل شد، به سرعت مشخص شد که رابط‌ها و پروتکل‌های موجود – مانند Serial Advanced Technology Attachment (SATA) و Serial-Attached SCSI (SAS) – دیگر مناسب نیستند و در نتیجه، در اوایل سال 2011، اولین نمونه NVMe منتشر شد که نزدیک به 100 شرکت فناوری در توسعه آن مشارکت داشتند.
NVMe همچنین یک عامل کلیدی برای فناوری‌ها و برنامه‌های در حال تکامل مانند اینترنت ، هوش مصنوعی و یادگیری ماشین است که همگی می‌توانند از تاخیر کم و بهبود عملکرد بالا ارائه شده توسط ذخیره‌سازی متصل به NVMe بهره ببرند.

NVME چیست و چگونه کار می‌کند؟

اطلاعات دقیقی درباره نحوه عملکرد این فناوری وجود ندارد اما می‌توان گفت NVMe یک رابط ثبت و مجموعه‌ای از دستورات است که دایره‌ای از ویژگی‌ها را برای SSD های مبتنی بر PCIe با اهداف عملکرد بالا و قابلیت همکاری با طیف گسترده‌ای از سیستم‌ها تعریف می‌کند.
پروتکل NVMe می‌تواند از هر شکلی از حافظه غیر فرار، مانند SSD هایی که از انواع مختلف حافظه غیر فرار، از جمله فلش NAND استفاده می‌کنند، پشتیبانی کند. درایورهای مرجع NVMe برای انواع سیستم عامل‌ها از جمله ویندوز و لینوکس در دسترس هستند.

یک NVMe SSD از طریق گذرگاه PCIe یا کانکتورهای M.2 و U.2 متصل می‌شود. پروتکل NVMe که با این اتصالات متصل شد، تاخیر کمتر و IOPS بالاتر را همراه با کاهش مصرف برق امکان پذیر می‌کند.
NVMe دستورات نقشه ورودی/خروج صفر و یک و پاسخ به حافظه مشترک در کامپیوتر میزبان را از طریق یک رابط PCIe انتقال می‌دهد. رابط NVMe از صفر و یک موازی با پردازنده‌های چند هسته‌ای پشتیبانی می‌کند تا توان عملیاتی بالا را تسهیل و گلوگاه‌های واحد پردازش مرکزی (CPU) را برطرف کند.

چرا NVMe مهم است؟

NVMe برای سیستم‌های ذخیره‌سازی غیرفرار با کارایی بالا مانند SSD طراحی شده و برای تنظیمات پیچیده و محاسباتی سنگین مناسب است. به عنوان مثال، NVMe می‌تواند بارهای کاری سازمانی را مدیریت کند و در عین حال زیرساخت کمتری را به جا بگذارد و انرژی کمتری مصرف کند.
تفاوت عملکرد زیادی بین NVMe و SATA وجود دارد. به عنوان مثال، NVMe تاخیر بسیار کمتری نسبت به سیستم‌های SAS و SATA دارد. این افزایش عملکرد و کاهش تأخیر به این معنی است که NVMe در برنامه‌های فشرده کاری که نیاز به پردازش سریع دارند، قابل استفاده است و در عین حال از تنگناها جلوگیری می‌کند. محیط‌های سازمانی و مراکز داده می‌توانند از عملکرد بالای سیستم در سیستم ذخیره‌سازی مبتنی بر NVMe بهره ببرند.

موارد استفاده NVMe چیست؟

با توجه به توانایی NVMe در مدیریت تعداد زیادی از دستورات، NVMe برای موارد زیر مناسب است:
· استفاده حرفه‌ای برای انجام کارهایی مانند ویرایش گرافیکی.
· برنامه‌های کاربردی با حجم اطلاعات زیاد برای ذخیره سازی ورودی/خروجی، از جمله پایگاه‌های داده و برخی عملیات های وب.
· محاسبات با کارایی بالا به طور خاص، در برنامه‌هایی که تاخیر کم بسیار مهم است.
· مناطقی که نیاز به ذخیره سازی مقادیر زیادی داده دارند، مانند هوش مصنوعی، یادگیری ماشینی، تجزیه و تحلیل پیشرفته و داده‌های بزرگ.
· پایگاه داده: وجود سیستم NVMe تعداد سرورهای فیزیکی مورد نیاز را کاهش می‌دهد.
· برنامه‌هایی که نیاز به بازیابی یا ذخیره داده‌ها در زمان واقعی دارند، مانند برنامه‌های مالی و تجارت الکترونیک.

مزایای NVMe چیست؟

· درایوهای NVMe می‌توانند دستورات را دو برابر سریع‌تر از درایوهای AHCI SATA ارسال کنند.
· SSD های NVMe تنها چند میکرو ثانیه تاخیر دارند، در حالی که SSD های SATA بین 30 تا 100 میکرو ثانیه تاخیر دارند.
· ذخیره سازی، مدیریت و دسترسی کارآمد به داده‌ها.
· پهنای باند بسیار بالاتری نسبت به SATA و SAS دارد.
· از چندین فرم فاکتور از جمله M.2، U.2 و اتصالات پشتیبانی می‌کند.
· داده ها را می‌توان تقسیم و ساده کرد.
· از پروتکل‌های تونل زنی پشتیبانی می‌کند که به حریم خصوصی می‌پردازد.

معایب NVMe چیست؟

· عدم پشتیبانی از NVMe در سیستم‌های قدیمی.
· برای ذخیره حجم زیاد داده مقرون به صرفه نیست. در مقایسه با درایوهای چرخشی بر اساس ظرفیت ذخیره سازی گران‌تر است.
· معمولاً با فرمت M.2 استفاده می‌شود که ممکن است انتخاب درایو را محدود کند.

تفاوت بین SATA ،NVMe و SAS چیست؟

SATA و SATA یک پروتکل ارتباطی است که برای تعامل کامپیوترها با سیستم‌های ذخیره سازی هارد دیسک (HDD) طراحی و ساخته شده است. SATA که در سال 2000 معرفی و جایگزین ATA شد؛ به سرعت هم به پروتکل سیستم ذخیره سازی برای اغلب کامپیوترها تبدیل شد. در طول سال‌ها، بازبینی‌های این فناوری با سرعت 6 گیگابیت در ثانیه با توان عملیاتی تا 600 مگابایت در ثانیه افزایش یافته است.
اگرچه برای فناوری هارد دیسک با صفحات چرخان مکانیکی و هدهای خواندن/نوشتن با کنترل محرک توسعه یافته است، SSD های اولیه با رابط های SATA به بازار عرضه شدند تا از سیستم SATA موجود استفاده کنند. این یک طراحی راحت بود و به تسریع پذیرش SSD کمک کرد، اما رابط ایده‌آل برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی فلش NAND نبود و به طور فزاینده‌ای به یک گلوگاه در سیستم تبدیل شد.
NVMe ظرفیت‌های ذخیره‌سازی بسیار بالاتری را در فاکتورهای کوچک‌تر مانند M.2 امکان‌پذیر می‌کند. به طور کلی، پارامترهای عملکرد NVMe پنج برابر یا بیشتر از SATA فاصله دارند.
SATA ممکن است با سابقه طولانی، هزینه پایین‌تری از NVMe دارد اما این تکنولوژی از 64000 فرمان در یک صف پیام و حداکثر 65535 صف ورودی/خروجی پشتیبانی می‌کند. در مقابل، عمق صف دستگاه SAS معمولاً تا 256 فرمان را و درایو SATA حداکثر 32 فرمان را در یک صف پشتیبانی می‌کند.
با این حال، SSD های PCIe مبتنی بر NVMe در حال حاضر گران‌تر از SAS SSD با ظرفیت معادل هستند، اگرچه فاصله قیمتی آنها هم در حال کم شدن است. همچنین، درایوهای SSD NVMe شرکتی سطح بالا ممکن است انرژی بیشتری نسبت به SAS یا SATA SSD مصرف کنند.

تاریخچه و تکامل NVM Express

گروه کاری Non-Volatile Memory Host Controller Interface (NVMHCI) توسعه مشخصات NVMe را در سال 2009 آغاز کرد و نسخه 1.0 را در 1 مارس 2011 منتشر کرد. این مشخصات شامل رابط صف، مجموعه دستور NVM، مجموعه دستورات مدیریت و ویژگی‌های امنیتی بود. تاریخ‌های قابل توجه دیگر عبارتند از:

· در 11 اکتبر 2012، گروه کاری NVMHCI، که معمولاً به عنوان گروه کاری NVM Express شناخته می‌شود، NVMe 1.1 را منتشر کرد که پشتیبانی از SSD با درگاه‌های متعدد PCIe را برای فعال کردن ورودی/خروجی چند مسیره اضافه کرد.
· در ماه مه 2013، گروه کاری NVM Express اولین Plugfest خود را برگزار کرد تا شرکت‌ها را قادر سازد انطباق محصولات خود را با مشخصات NVMe آزمایش و قابلیت همکاری با سایر محصولات NVMe را بررسی کنند.
· در مارس 2014، گروه کاری NVM Express تحت نام سازمان NVM Express گنجانده شد. این گروه بعداً به نام NVM Express Inc شناخته شد. این سازمان غیرانتفاعی بیش از 100 شرکت عضو فناوری دارد.
· در 3 نوامبر 2014، مشخصات NVMe 1.2 با پیشرفت‌هایی مانند پشتیبانی از به روز رسانی سیستم عامل زنده، مدیریت توان بهبود یافته و گزینه‌ای برای محافظت از داده‌ها ظاهر شد.
· در ژوئن 2017، NVM Express نسخه NVMe 1.3 را منتشر کرد که بر نکات برجسته بر روی عملیات پاکسازی، یک چارچوب جدید به نام دستورالعمل‌ها و مجازی‌سازی متمرکز است.
· در جولای 2019، NVMe 1.4 همراه با پیشرفت‌ها و ویژگی‌های جدید، از جمله دستیار بازسازی، ثبت رویداد دائمی، دسترسی نامتقارن به فضا، بافر حافظه میزبان و منطقه حافظه پایدار معرفی شد.
· در سال 2020، مشخصات مجموعه دستورات فضای نام منطقه ای NVMe تصویب شد. این مشخصات NVMe را قادر می‌سازد تا مجموعه‌های دستوری را برای فناوری‌های نوظهور، از جمله فضاهای نام منطقه‌ای، ارزش کلیدی و ذخیره‌سازی محاسباتی، جداسازی و تکامل دهد.
· در ژوئن 2021، NVMe 2.0 منتشر شد. این مشخصات برای ایجاد امکان توسعه سریع‌تر و آسان‌تر NVMe و پشتیبانی از محیط NVMe متنوع تر بازسازی شد.