حافظه NVMe چیست و چه مزایایی دارد؟

با افزایش سرعت پردازنده‌ها و بیشتر شدن حجم داده‌هایی که نرم‌افزارها و سیستم‌عامل‌ها پردازش می‌کنند، سرعت فضای ذخیره‌سازی به یکی از عوامل مهم در عملکرد سیستم تبدیل شده است. هارد دیسک‌های مکانیکی سال‌ها گزینه اصلی ذخیره‌سازی بودند، اما SSDها با حذف قطعات متحرک توانستند سرعت دسترسی به اطلاعات را به شکل قابل توجهی افزایش دهند. با این حال، رابط SATA نیز محدودیت‌هایی داشت و نمی‌توانست تمام ظرفیت عملکرد SSDهای جدید را در اختیار سیستم قرار دهد.

NVMe برای پاسخ به همین نیاز توسعه پیدا کرد. این فناوری یک پروتکل ارتباطی است که برای حافظه‌های ذخیره‌سازی غیر فرار، به‌ویژه SSDها، طراحی شده است و معمولا از طریق رابط PCIe با سیستم ارتباط برقرار می‌کند. معماری NVMe نسبت به فناوری‌های قدیمی‌تر برای پردازش تعداد زیادی درخواست ورودی و خروجی بهینه شده و به همین دلیل می‌تواند سرعت و تاخیر بهتری ارائه دهد.

البته عبارت «حافظه NVMe» کمی گمراه‌کننده است. NVMe خودش نوع حافظه نیست؛ بلکه استانداردی برای نحوه ارتباط سیستم با وسیله ذخیره‌سازی است. در ادامه با نحوه کار NVMe، تفاوت آن با SATA و M.2 و مهم‌ترین مزایای این فناوری آشنا می‌شویم.

NVMe چیست؟

NVMe مخفف Non-Volatile Memory Express است و یک استاندارد ارتباطی برای حافظه‌های ذخیره‌سازی غیر فرار محسوب می‌شود. این استاندارد از ابتدا با در نظر گرفتن ویژگی‌های SSDها و حافظه فلش طراحی شده است و به سیستم‌عامل و سخت‌افزار اجازه می‌دهد ارتباط موثرتری با فضای ذخیره‌سازی داشته باشند.

پروتکل‌های قدیمی‌تر مانند AHCI در دوره‌ای طراحی شدند که هارد دیسک‌های مکانیکی بخش مهمی از بازار ذخیره‌سازی را تشکیل می‌دادند. هارد دیسک به دلیل وجود قطعات مکانیکی، رفتار متفاوتی نسبت به SSD دارد و تعداد عملیات ورودی و خروجی همزمانی که می‌تواند پردازش کند نیز محدودتر است.

NVMe معماری متفاوتی دارد و برای استفاده از قابلیت‌های SSDهای مدرن طراحی شده است. این پروتکل از صف‌های متعدد ورودی و خروجی و تعداد بسیار زیادی فرمان در هر صف پشتیبانی می‌کند. در نتیجه، سیستم می‌تواند درخواست‌های بیشتری را به صورت همزمان به SSD ارسال و پردازش کند.

NVMe معمولا در کنار رابط PCIe استفاده می‌شود. PCIe پهنای باند بسیار بیشتری نسبت به SATA فراهم می‌کند و با عرضه نسل‌های جدیدتر این رابط، ظرفیت انتقال اطلاعات نیز افزایش پیدا کرده است.

NVMe چگونه کار می‌کند؟

برای درک عملکرد NVMe باید مسیر انتقال اطلاعات بین پردازنده و فضای ذخیره‌سازی را در نظر گرفت. وقتی یک نرم‌افزار به اطلاعاتی روی SSD نیاز دارد، سیستم‌عامل درخواست خواندن یا نوشتن را به دستگاه ذخیره‌سازی ارسال می‌کند. SSD این درخواست را دریافت کرده و عملیات موردنظر را روی سلول‌های حافظه انجام می‌دهد.

در SSDهای SATA، این ارتباط از طریق رابط SATA و پروتکل‌هایی مانند AHCI انجام می‌شود. این ساختار برای SSDها قابل استفاده است، اما بسیاری از ویژگی‌های آن با نیازهای هارد دیسک‌های مکانیکی شکل گرفته‌اند.

NVMe برای شرایط متفاوتی طراحی شده است. این استاندارد تعداد بسیار زیادی صف ورودی و خروجی را پشتیبانی می‌کند و هر صف نیز می‌تواند تعداد زیادی فرمان داشته باشد. چنین معماری‌ای باعث می‌شود SSD بتواند درخواست‌های متعدد را با موازی‌سازی بیشتری پردازش کند.

این ویژگی در سیستم‌هایی که فقط یک عملیات ذخیره‌سازی انجام می‌دهند لزوما تفاوت چشمگیری ایجاد نمی‌کند، اما هنگام اجرای چند برنامه، دسترسی همزمان چند کاربر یا پردازش حجم زیادی از عملیات ورودی و خروجی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

تفاوت NVMe و SATA چیست؟

NVMe و SATA هر دو برای ارتباط با تجهیزات ذخیره‌سازی استفاده می‌شوند، اما معماری و هدف آنها متفاوت است. SATA یک رابط ارتباطی است که سال‌ها برای اتصال هارد دیسک و SSD استفاده شده، در حالی که NVMe یک پروتکل ارتباطی است که با هدف استفاده بهتر از حافظه‌های غیر فرار طراحی شده است.

SSDهای SATA معمولا از رابط SATA III استفاده می‌کنند که حداکثر پهنای باند تئوری آن ۶ گیگابیت بر ثانیه است. به همین دلیل سرعت واقعی بسیاری از SSDهای SATA در حدود ۵۰۰ تا ۵۵۰ مگابایت بر ثانیه قرار دارد.

در مقابل، SSDهای NVMe معمولا از PCIe استفاده می‌کنند. PCIe چندین مسیر ارتباطی را در اختیار دستگاه قرار می‌دهد و پهنای باند آن از SATA بیشتر است. برای همین SSDهای NVMe می‌توانند به سرعت خواندن و نوشتن بسیار بالاتری دست پیدا کنند.

تفاوت این دو فناوری فقط به سرعت ترتیبی محدود نمی‌شود. تاخیر کمتر و توانایی مدیریت تعداد بیشتری از درخواست‌های همزمان نیز از ویژگی‌های مهم NVMe هستند.

تفاوت NVMe و M.2 چیست؟

یکی از اشتباهات رایج این است که NVMe و M.2 را دو نام برای یک فناوری بدانیم، در حالی که این دو اصطلاح به بخش‌های متفاوتی از یک SSD اشاره می‌کنند.

M.2 یک فرم‌فاکتور است و ابعاد، شکل و نحوه اتصال فیزیکی یک قطعه را مشخص می‌کند. NVMe در مقابل، یک پروتکل ارتباطی است که نحوه ارتباط سیستم با SSD را مشخص می‌کند.

به همین دلیل، هر SSD از نوع M.2 لزوما NVMe نیست. بعضی SSDهای M.2 از رابط SATA استفاده می‌کنند و بعضی دیگر از NVMe روی PCIe بهره می‌برند. ظاهر این دو نوع SSD ممکن است بسیار شبیه باشد، اما عملکرد و نحوه ارتباط آنها با سیستم متفاوت است.

از طرف دیگر، NVMe نیز محدود به فرم‌فاکتور M.2 نیست. SSDهای NVMe می‌توانند در قالب کارت‌های توسعه PCIe، U.2 و برخی فرم‌فاکتورهای مورد استفاده در سرورها و دیتاسنترها نیز عرضه شوند.

بنابراین هنگام خرید SSD باید به صورت جداگانه فرم‌فاکتور، رابط و پروتکل دستگاه را بررسی کرد.

مزایای NVMe چیست؟

NVMe برای استفاده بهتر از توانایی SSDهای مدرن طراحی شده و در مقایسه با معماری‌های قدیمی‌تر چند مزیت مهم دارد. سرعت انتقال بالاتر، تاخیر کمتر و پشتیبانی از تعداد زیادی عملیات ورودی و خروجی همزمان، مهم‌ترین ویژگی‌هایی هستند که باعث شده‌اند NVMe به گزینه‌ای رایج در سیستم‌های جدید تبدیل شود.

سرعت انتقال اطلاعات بیشتر

مهم‌ترین مزیت NVMe امکان دستیابی به سرعت بسیار بالاتر نسبت به SSDهای SATA است. دلیل این تفاوت فقط به خود حافظه SSD مربوط نمی‌شود و استفاده از PCIe نیز نقش مهمی در افزایش پهنای باند دارد.

در نسل‌های جدید PCIe، پهنای باند بیشتری در اختیار SSD قرار می‌گیرد و به همین دلیل مدل‌های جدید NVMe می‌توانند سرعت خواندن و نوشتن بسیار بالاتری نسبت به SSDهای SATA ارائه دهند.

این تفاوت هنگام انتقال فایل‌های حجیم، اجرای نرم‌افزارهای سنگین، ویرایش ویدئو و پردازش داده‌های بزرگ بیشتر خودش را نشان می‌دهد. البته سرعت واقعی یک SSD به عواملی مانند کنترلر، نوع حافظه NAND، ظرفیت، دما و طراحی خود SSD نیز وابسته است.

تاخیر کمتر

یکی دیگر از مزایای NVMe تاخیر پایین‌تر در ارتباط با فضای ذخیره‌سازی است. معماری این پروتکل برای حافظه‌های غیر فرار طراحی شده و سربار کمتری نسبت به برخی پروتکل‌های قدیمی ایجاد می‌کند.

تاخیر پایین‌تر در عملیات کوچک و تصادفی اهمیت زیادی دارد. برای مثال، هنگام اجرای سیستم‌عامل یا نرم‌افزاری که به تعداد زیادی فایل کوچک دسترسی دارد، زمان پاسخ‌گویی حافظه می‌تواند روی عملکرد کلی سیستم تاثیر بگذارد.

البته تفاوت تاخیر بین دو SSD تنها به NVMe یا SATA بودن آنها محدود نمی‌شود و کنترلر، نوع NAND و طراحی SSD نیز در این موضوع نقش دارند.

پردازش همزمان درخواست‌ها

SSDهای NVMe برای مدیریت تعداد زیادی درخواست ورودی و خروجی همزمان طراحی شده‌اند. این قابلیت به آنها اجازه می‌دهد درخواست‌های مختلف را با موازی‌سازی بیشتری پردازش کنند.

این ویژگی در سیستم‌های معمولی نیز می‌تواند مفید باشد، اما اهمیت آن در سرورها، دیتابیس‌ها و محیط‌هایی که چندین برنامه یا کاربر به صورت همزمان به فضای ذخیره‌سازی دسترسی دارند، بیشتر است.

استفاده بهتر از PCIe

یکی از دلایل اصلی عملکرد بالای NVMe، استفاده از PCIe به عنوان مسیر ارتباطی است. PCIe برای انتقال داده با سرعت بالا طراحی شده و هر نسل جدید آن می‌تواند پهنای باند بیشتری نسبت به نسل قبلی فراهم کند.

این موضوع باعث شده NVMe بتواند همراه با پیشرفت سخت‌افزار توسعه پیدا کند. در نتیجه، محدودیت‌های رابط SATA مانعی برای استفاده از SSDهای سریع‌تر نخواهند بود.

مناسب برای workloadهای سنگین

NVMe در محیط‌هایی که حجم زیادی از عملیات ذخیره‌سازی انجام می‌شود، کاربرد ویژه‌ای دارد. سرورها، دیتابیس‌ها، ماشین‌های مجازی، سیستم‌های پردازش داده و ایستگاه‌های کاری حرفه‌ای می‌توانند از قابلیت‌های این فناوری استفاده کنند.

در چنین محیط‌هایی فقط سرعت خواندن ترتیبی اهمیت ندارد. عملکرد تصادفی، تاخیر، تعداد عملیات ورودی و خروجی در ثانیه و عملکرد پایدار SSD نیز اهمیت زیادی دارند و NVMe معماری مناسبی برای چنین workloadهایی فراهم می‌کند.

آیا هر SSD NVMe از SSD SATA سریع‌تر است؟

NVMe از نظر معماری و پهنای باند امکان عملکرد بسیار بالاتری نسبت به SATA دارد، اما این موضوع به معنای آن نیست که هر SSD NVMe در تمام شرایط کاری به شکل محسوسی سریع‌تر از هر SSD SATA خواهد بود.

برای مثال، یک SSD NVMe اقتصادی ممکن است در بعضی workloadها تفاوت بسیار زیادی با یک SSD SATA باکیفیت ایجاد نکند. از طرف دیگر، نوع NAND، کنترلر، حافظه کش و دمای کاری می‌توانند عملکرد واقعی SSD را تغییر دهند.

همچنین در استفاده‌های روزمره مانند وب‌گردی، اجرای نرم‌افزارهای اداری و کارهای سبک، تفاوت تجربه کاربری میان SSDهای سریع ممکن است بسیار کمتر از اختلاف عددی سرعت خواندن آنها باشد.

بنابراین هنگام مقایسه دو SSD نباید فقط به حداکثر سرعت خواندن و نوشتن توجه کرد و باید نوع workload نیز در نظر گرفته شود.

نسل‌های مختلف PCIe چه تاثیری بر NVMe دارند؟

NVMe به خودی خود سرعت مشخصی مانند «۳۵۰۰ مگابایت بر ثانیه» یا «۷۰۰۰ مگابایت بر ثانیه» ندارد. سرعت SSDهای NVMe تا حد زیادی به نسل PCIe و تعداد مسیرهای مورد استفاده، در کنار مشخصات خود SSD، بستگی دارد.

برای مثال، SSDهای NVMe مبتنی بر PCIe 3.0 معمولا سرعت پایین‌تری نسبت به مدل‌های PCIe 4.0 دارند و مدل‌های PCIe 5.0 نیز می‌توانند به سرعت‌های بسیار بالاتری برسند.

با این حال، استفاده از SSD نسل جدید همیشه به معنای رسیدن به حداکثر سرعت اعلام‌شده نیست. مادربرد یا لپ‌تاپ باید از نسل PCIe موردنظر پشتیبانی کند و SSD نیز باید بتواند از پهنای باند موجود استفاده کند.

به همین دلیل پیش از خرید SSD NVMe باید مشخصات اسلات M.2 و نسل PCIe پشتیبانی‌شده توسط سیستم بررسی شود.

هنگام خرید SSD NVMe به چه نکاتی توجه کنیم؟

اولین نکته، سازگاری SSD با سیستم است. باید بررسی شود که مادربرد یا لپ‌تاپ از فرم‌فاکتور M.2 و پروتکل NVMe پشتیبانی می‌کند و اسلات موردنظر از چه نسل PCIe پشتیبانی می‌کند.

پس از سازگاری، ظرفیت SSD اهمیت دارد. SSDهای ظرفیت بالاتر معمولا فضای بیشتری برای ذخیره اطلاعات در اختیار کاربر قرار می‌دهند و بسته به طراحی حافظه و کنترلر ممکن است عملکرد متفاوتی نیز داشته باشند.

نوع حافظه NAND، کنترلر، سرعت خواندن و نوشتن تصادفی، دوام نوشتاری و عملکرد SSD در بار کاری طولانی نیز باید بررسی شوند. عدد سرعت خواندن ترتیبی به تنهایی تصویر کاملی از عملکرد SSD ارائه نمی‌دهد.

دما نیز موضوع مهمی است. SSDهای NVMe پرسرعت می‌توانند هنگام پردازش مداوم داده گرمای زیادی تولید کنند. در چنین شرایطی ممکن است SSD برای کنترل دما سرعت خود را کاهش دهد. استفاده از هیت‌سینک مناسب در سیستم‌هایی که بار کاری سنگین دارند می‌تواند به حفظ عملکرد پایدار کمک کند.

آیا NVMe برای سرور مناسب است؟

NVMe یکی از فناوری‌های مهم در زیرساخت‌های سروری و دیتاسنتری است. سرورها معمولا باید تعداد زیادی درخواست ورودی و خروجی را به صورت همزمان پردازش کنند و در چنین محیطی تاخیر پایین و توانایی مدیریت عملیات موازی اهمیت زیادی دارد.

دیتابیس‌ها، ماشین‌های مجازی، سیستم‌های ذخیره‌سازی و بسیاری از نرم‌افزارهای سازمانی می‌توانند از SSDهای NVMe استفاده کنند. با این حال، انتخاب SSD مناسب برای سرور با انتخاب SSD یک کامپیوتر شخصی تفاوت دارد.

در سرور باید عواملی مانند دوام نوشتاری، عملکرد پایدار، تاخیر، تعداد عملیات ورودی و خروجی در ثانیه و قابلیت اطمینان نیز در نظر گرفته شوند. در چنین محیطی ممکن است یک SSD با سرعت ترتیبی پایین‌تر اما دوام و عملکرد پایدار بهتر، انتخاب مناسب‌تری برای workload موردنظر باشد.

NVMe چه تفاوتی با RAM دارد؟

گاهی عبارت «حافظه NVMe» باعث می‌شود NVMe با RAM اشتباه گرفته شود، اما این دو کاملا متفاوت هستند.

RAM حافظه اصلی سیستم است و پردازنده از آن برای نگهداری موقت داده‌ها و دستورالعمل‌هایی که در حال پردازش هستند استفاده می‌کند. اطلاعات موجود در RAM با خاموش شدن سیستم از بین می‌رود.

SSD NVMe یک وسیله ذخیره‌سازی دائمی است. اطلاعات روی آن پس از خاموش شدن سیستم نیز باقی می‌مانند و از طریق پروتکل NVMe در اختیار سیستم‌عامل قرار می‌گیرند.

بنابراین NVMe جایگزین RAM نیست و این دو قطعه وظایف متفاوتی در یک سیستم دارند.

آیا خرید SSD NVMe ارزش دارد؟

NVMe با فراهم کردن پهنای باند بیشتر، تاخیر کمتر و امکان پردازش همزمان تعداد زیادی درخواست، یکی از مهم‌ترین استانداردهای امروزی برای SSDهای پرسرعت محسوب می‌شود. این فناوری به‌خصوص در سیستم‌های جدید، ایستگاه‌های کاری و سرورهایی که با حجم بالایی از عملیات ذخیره‌سازی سروکار دارند، کاربرد زیادی دارد.

با این حال، NVMe بودن به تنهایی مشخص نمی‌کند که یک SSD عملکرد مناسبی برای هر کاری دارد. نسل PCIe، کنترلر، نوع NAND، ظرفیت، دوام نوشتاری، دمای کاری و عملکرد واقعی در workload موردنظر همگی باید در زمان انتخاب SSD بررسی شوند.

در نهایت، تفاوت اصلی NVMe با فناوری‌های قدیمی‌تر در این است که این استاندارد از ابتدا برای ویژگی‌های حافظه‌های غیر فرار مدرن طراحی شده است. ترکیب NVMe با PCIe نیز امکان استفاده از پهنای باند بسیار بالاتری را فراهم کرده و به همین دلیل این فناوری به یکی از پایه‌های اصلی ذخیره‌سازی پرسرعت در کامپیوترهای جدید و زیرساخت‌های سروری تبدیل شده است.