Quais são as vantagens da arquitetura NVMe?
No mundo atual de alta tecnologia, o desempenho dos dados e a velocidade de processamento são fundamentais para o sucesso dos negócios e a eficiência da TI. A arquitetura NVMe (Non-Volatile Memory Express) é um protocolo inovador para trabalhar com unidades de estado sólido (SSDs) que supera significativamente as interfaces SATA e SAS tradicionais. Neste artigo, examinaremos em detalhes as vantagens do NVMe, exploraremos sua operação e benefícios práticos, inclusive no mercado russo. Também analisaremos a comparação entre SATA e NVMe, SAS e NVMe, consideraremos cenários de uso e casos de economia de dinheiro em servidores.
Por que o NVMe é melhor que o SATA e o SAS
O NVMe (Non-Volatile Memory Express) é uma interface moderna projetada especificamente para SSDs que oferece uma arquitetura fundamentalmente nova para memória e transferência de dados. Ao contrário das interfaces legadas SATA e SAS, originalmente criadas para discos rígidos mecânicos com base no protocolo AHCI, a NVMe permite que você libere todo o potencial da memória flash e obtenha ganhos significativos de desempenho.
As principais vantagens do NVMe são a velocidade de transferência de dados muitas vezes mais rápida, as solicitações de processamento multicanal, a baixa latência e o uso eficiente dos recursos do processador. Assim, a velocidade do NVMe em dispositivos modernos chega a 5000 MB/s, o que é significativamente maior do que a do SATA (~550 MB/s) ou do SAS (~1500 MB/s). Isso pode aumentar significativamente as velocidades de processamento do data center, reduzir os tempos de resposta dos aplicativos e reduzir os custos devido à alta densidade e à eficiência das SSDs de servidor.
A importância do NVMe nos data centers
Os data centers (DCs) e as plataformas de nuvem atuais exigem soluções de desempenho que possam lidar com grandes quantidades de dados com latência mínima. O NVMe permite que você:
Fornecer milhões de operações de entrada/saída por segundo (IOPS)
Reduzir os tempos de resposta para 10 a 50 microssegundos
Suportar milhares de comandos paralelos por meio de enfileiramento profundo de solicitações
Reduzir a sobrecarga da CPU com uma arquitetura simplificada
Limitações do SATA e do SAS
SATA: uma interface obsoleta para discos mecânicos
As tecnologias SATA e SAS foram criadas e otimizadas para HDDs mecânicos em uma era de baixa velocidade e operações com baixa simultaneidade. Isso é especialmente verdadeiro para o protocolo AHCI usado nas unidades SATA.
A profundidade da fila de instruções é limitada a 32 solicitações, o que restringe significativamente o processamento paralelo
São necessários recursos computacionais adicionais da CPU para processar operações de E/S
Os protocolos intermediários geram sobrecarga e latência
As taxas de transferência de dados são limitadas a ~600 MB/s (SATA) e ~1500 MB/s (SAS)
SAS: melhoria parcial
A interface SAS está focada em uma conectividade de unidade de servidor mais confiável e mais rápida, mas:
A arquitetura e os protocolos ainda são herdados da era mecânica, o que a torna incapaz de competir com o NVMe em termos de escalabilidade e velocidade
Suporte para até algumas centenas de solicitações simultâneas - menos do que o NVMe com suas milhares de filas
Custo mais alto em comparação com o SATA, mas fica significativamente atrás em termos de métricas de desempenho
Arquitetura NVMe para SSDs
O protocolo NVMe foi projetado especificamente para corresponder aos recursos da memória NAND de estado sólido para maximizar o acesso e o tratamento de solicitações.
Usa conexão direta com o barramento PCIe (geralmente PCIe Gen3 ou Gen4 com larguras de banda de até 32 Gbps ou mais)
Sem camadas intermediárias de software ou controladores para reduzir a velocidade e aumentar a latência
Modelo com suporte para dezenas de milhares de filas paralelas, em que cada fila pode conter até 64 mil instruções
Redução significativa na carga da CPU em comparação com a AHCI
Como funcionam a SSD e o NVMe
A SSD armazena dados em chips de memória NAND, proporcionando latência mínima de acesso, ao contrário dos HDDs giratórios. Para liberar o potencial das SSDs, é essencial um protocolo de comunicação eficiente, o NVMe.
As SSDs SATA são limitadas pela largura de banda da interface SATA (~550 MB/s)
As SSDs SAS fornecem cerca de 1500 MB/s em média
As SSDs M.2 NVMe se conectam por PCIe e atingem velocidades de até 5 GB/s ou mais, além de latência mínima e alto desempenho multi-threading
Benefícios do NVMe na prática
| Vantagem | Descrição |
|---|---|
| Velocidades NVMe | Até 3500-5000 MB/s, que é de 5 a 10 vezes mais rápido do que as velocidades de ssd sata |
| Latência mínima | Tempo de resposta de 10 a 50 microssegundos, em comparação com 100 a 150 para SATA e SAS |
| Processamento multicanal | Suporta milhares de filas simultaneamente |
| Carga reduzida da CPU | O protocolo simplificado reduz as despesas gerais de computação |
| Economiza recursos e espaço | Reduz o número de servidores devido à alta densidade de dados |
| Custo competitivo | As unidades NVMe têm custo comparável ao SAS, mas superior ao SATA |
Diagrama 2: desempenho de NVMe vs. SATA vs. SAS por IOPS e latência. É possível observar uma enorme diferença a favor do NVMe.
Tipos de memória NAND: SLC, MLC, TLC, QLC
As unidades modernas usam diferentes tipos de memória que determinam a qualidade, a velocidade e a resistência:
SLC (Single-Level Cell): alta velocidade e confiabilidade, mas cara e de baixa capacidade.
MLC (Multi-Level Cell, célula multinível): equilíbrio entre custo e desempenho.
TLC (Triple-Level Cell): alta densidade de armazenamento, velocidade moderada.
QLC (Quad-Level Cell): densidade máxima e baixo custo, inferior em velocidade e capacidade.
As SSDs NVMe geralmente usam TLC e QLC, e a interface NVMe nivelou a limitação de velocidade da memória, proporcionando alto desempenho geral.
Tecnologias de confiabilidade de SSD
As SSDs NVMe de servidores modernos são equipadas com:
ECC (correção de erros)
Wear Leveling (nivelamento de desgaste) (distribuição uniforme de gravação)
Proteção contra perda de energia (proteção contra perda de energia)
Monitoramento de status (SMART, Telemetria)
Isso garante longa vida útil e alta confiabilidade em operações intensivas.
Evolução da interface: SATA, SAS e NVMe
| Interface | Velocidade máxima | Latência (microssegundos) | Recursos |
|---|---|---|---|
| SATA III | 600 MB/s | 100-150 | Padrão antigo para HDDs, limitado para SSDs |
| SAS | ~1500 MB/s | 100-120 | Unidade de servidor, maior confiabilidade |
| NVMe sobre PCIe | Até 5000 MB/s | 10-50 | Conexão direta com o processador, multicanal |
Comparação entre SATA e NVMe
| Parâmetros | SSD SATA | SSD NVMe |
|---|---|---|
| Velocidade de leitura | até 550 MB/s | 3500-5000 MB/s |
| Latência | 100-150 µs | 10-50 µs |
| Interface | SATA III | PCIe Gen3/4 |
| Fator de forma | 2.5", M.2 | M.2, U.2, PCIe |
| Preço por 1 TB | Inferior | Acima |
NVMe e SAS: recursos e aplicativos
O NVMe está se tornando o padrão para sistemas de alta carga devido à sua escalabilidade e velocidade. O SAS continua a ser usado em tarefas com confiabilidade crítica em configurações de desempenho moderado, mas é inferior ao NVMe em termos de velocidade e escalabilidade.
Cenários práticos e casos de uso no mercado russo
As empresas russas observam as principais vantagens do NVMe:
Os bancos reduzem os atrasos nas transações, melhorando a qualidade do serviço
As empresas de TI reduzem o número de servidores e os custos de energia, aumentando o desempenho da computação.
A virtualização (VMware, Hyper-V, vStack) no NVMe aumenta a capacidade de resposta da máquina virtual, reduzindo a latência e aumentando a densidade da implantação
Tabela: Comparação de plataformas de virtualização por desempenho NVMe
| Plataforma | Recursos do NVMe | Vantagens |
|---|---|---|
| VMware | Velocidade máxima de acesso | Latência mínima, alta escalabilidade |
| Hyper-V | Fácil gerenciamento | Boa integração e estabilidade |
| vStack | Nuvens híbridas e multilocatário | Otimize os recursos em ambientes híbridos |
O NVMe é a arquitetura do futuro para armazenamento eficiente e dimensionável. Seu objetivo é melhorar o desempenho, reduzir custos e oferecer suporte a novos serviços digitais.
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PERGUNTAS FREQUENTES
O que é NVMe?
É um protocolo para SSDs de alta velocidade otimizado para PCIe e memória flash.
Como o NVMe é melhor que o SATA?
O NVMe oferece velocidades até 10 vezes mais rápidas e latência 10 vezes menor.
Posso usar SSDs SATA em um servidor?
Você pode, mas para sistemas de alta carga é melhor usar o NVMe para garantir o desempenho.
Glossário
NVMe - Memória não volátil expressa
SATA - Serial ATA
SAS - Serial Attached SCSI (SCSI de conexão serial)
PCIe - Barramento de conexão de dispositivos
SSD M.2 NVMe - Unidade NVMe compacta no formato M.2
Para obter mais informações úteis e comparações, confira nossos artigos sobre tecnologias NVMe e soluções de servidor.
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