NVMe - полный гайд по высоким скоростям
NVMe (Non-Volatile Memory Express) — это современный протокол/интерфейс и набор спецификаций для работы с твердотельными накопителями через знакомый всем высокоскоростной интерфейс — PCI Express (PCIe). Ключевая идея NVMe — минимизация накладных расходов на стороне протокола и хоста, чтобы максимально использовать возможности флеш-накопителей по скорости, параллельности и низкой задержке.
Традиционные интерфейсы (SATA, SAS) в своё время были разработаны под относительно медленные жёсткие диски, и, соответственно, имели склонность к узким местам по шине и самому протоколу передачи данных, что сильно ограничивало возможности твердотельных накопителей. NVMe избавляется от многих таких ограничений: интерфейс поддерживает большее число команд и очередей, имеет высокую степень параллелизма и лучше справляется с прерываниями - всё это, в первую очередь, благодаря связи накопителя с процессором напрямую через интерфейс PCIe.
Развитие NVMe
Истоки технологии идут к стандарту NVMHCI, который ещё в 2007м году обсуждался в рамках собрания инженеров и технологов Intel Developer Forum как способ стандартизировать интерфейс между хостом и флеш-памятью. Рабочая группа из множества компаний, названная NVM Express Workgroup, во главе с Intel взялась за разработку первой спецификации технологии - NVMe 1.0, появившейся 1 марта 2011 года. С тех пор протокол значительно совершенствуется и развивается, а последней представленной спецификацией стала NVMe 2.3, принятая объединением в начале августа 2025 года. Среди последних нововведений - Rapid Path Failure Recovery (быстрое восстановление пути связи при сбое) и Power Limit Config (возможность контролировать максимальную мощность SSD).
Первые диски с интерфейсом NVMe появились ещё в 2013 году - в качестве первопроходца выступила Samsung, представившая накопитель XS1715 с объёмом до 1,6ТБ, который уже тогда в несколько раз превосходил предыдущие корпоративные решения компании по скорости обмена данными. Вслед за Samsung последовала и сама Intel, представив в 2014 году серии накопителей DC P3700, DC P3600 и DC P3500.
Развитие технологии сопровождалось не только расширением протокола, но и множеством других факторов, влиявших на его стремительное продвижение: появление новых форм-факторов и поколений интерфейса PCIe, улучшение контроллеров и самих твердотельных накопителей и распространение устройств во всё большем количестве сфер применения.
Форм-факторы накопителей
Как и в случае с дисками с интерфейсами SAS и SATA, NVMe-накопители производятся в различных форм-факторах.
2.5" SFF
Первые NVMe-накопители выпускались в уже привычном для SSD форм-факторе - 2.5" SFF. Физическим интерфейсом для них стал U.2 (SFF 8639), разработанный специально для использования технологии NVMe в уже существующем форм-факторе. Внешне коннектор U.2 похож на обычный интерфейс SATA, но отличается наличием большего количества пинов, за счёт чего подводит 4 линии PCIe к накопителю. U.2 поддерживает все распространенные интерфейсы дисков 2.5" SFF и 3.5" SFF: SATA, SAS и NVMe, но без особых технических решений каждый отдельный слот U.2 поддерживает либо SAS и SATA, либо NVMe, но не все 3 интерфейса одновременно.
Прямым развитием U.2 является интерфейс U.3, являющийся значительно более гибким в поддержке накопителей - каждый слот U.3 работает в режиме Tri-Mode и одновременно поддерживает накопители с интерфейсами SATA, SAS и NVMe. Накопители формата U.3 обратно совместимы с бэкплайнами U.2, но не наоборот.
M.2
Самым распространенным среди пользовательских систем форматом NVMe-накопителей является M.2 - один из самых компактных форм-факторов твердотельных накопителей, подключаемый непосредственно к материнской плате или через специальный переходник. Несмотря на очевидное преимущество в виде малых размеров, диски формата M.2 имеют весомые недостатки перед другими решениями: меньший максимальный объем накопителя и большая склонность к перегреву, из-за чего они не получили широкого распространения в серверной сфере. Однако, именно накопители формата M.2 используются в специальных картах расширения, таких как BOSS N-1, позволяющих собрать два накопителя в RAID 1 для последующей установки ОС.
PCIe add-in card
Использование технологией NVMe интерфейса PCIe в качестве своей основы ожидаемо повлекло за собой создание накопителей, устанавливаемых непосредственно в стандартные PCIe слоты - так называемые PCIe add-in/expansion card. Такой форм-фактор имеет несколько значительных преимуществ: большой максимальный объем накопителя, массивные радиаторы для оптимального охлаждения и возможность использовать более 4 линий PCIe для обеспечения большей скорости.
EDSFF
EDSFF (Enterprise and Datacenter SSD Form Factor) — новое семейство форм-факторов, целенаправленно разработанное для плотного размещения NVMe-накопителей в серверах и оптимизации охлаждения, питания и плотности хранения. Так, форм-факторы E.3S/E.3L призваны постепенно заменить диски форматов U.2 и U.3, а E.1S/E.1L - диски формата M.2. Уже сейчас появляются серверные платформы с поддержкой большого количество накопителей форматов EDSFF, значительно превосходящих старые решения по плотности хранения данных.
RAID из NVMe-накопителей?
С постепенным повышением объемов и плотности данных в системах с NVMe дисками закономерно потребовалось усиление их надежности. По принципу SAS и SATA накопителей, очевидным решением данного вопроса являются RAID-массивы - объединения нескольких накопителей с целью получения отказоустойчивой и более эффективного хранилища, о которых мы рассказали в прошлой статье.
Помимо специфических решений в виде BOSS N-1, существует несколько принципиально разных реализаций такой системы:
- • Операционные системы Windows и Linux поддерживают возможность создания RAID-массивов из NVMe-накопителей. Так как это исключительно программное решение, задействующее ОС, скорость таких массивов отстаёт от других вариантов, а возможность установки системы на собранный RAID-массив принципиально отсутствует.
- • Программные RAID-контроллеры серверов линейки Dell PowerEdge (PERC S140, PERC S150 и другие) позволяют программно создавать RAID-массивы до загрузки ОС. Данное решение ограничено набором поддерживаемых NVMe-накопителей, но является более эффективным. Встречается в таких серверах, как PowerEdge R640, PowerEdge R740XD и других.
- • Intel VROC - программно-аппаратное решение, позволяющее создавать RAID-массивы при использовании ресурсов процессоров производства Intel. Для расширения функционала требует установки специального аппаратного ключа. Встречается в платформах различных производителей, таких как Huawei и xFusion.
- • Аппаратные RAID-контроллеры с поддержкой NVMe появились в более поздних поколениях серверов, одними из первых подобных устройств стали PERC H755N в 15 поколении серверов Dell PowerEdge и MegaRAID 9460-8i от BroadCom. За счет отдельного процессора и кэш-памяти, аппаратные RAID-контроллеры достигают максимальных скоростей в сравнении с другими вариантами и не используют мощности основного CPU системы.