POR QUE UM SSD NVME É MAIS RÁPIDO DO QUE UM SSD SATA?

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O protocolo NVMe está se tornando rapidamente o padrão da indústria para suportar unidades SSD e sistemas de armazenamento empresarial baseados em memória não volátil. As velocidades de um SSD NVMe são muito maiores do que unidades com barramento SAS e SATA.

O padrão é baseado na especificação NVM Express publicada pelo grupo sem fins lucrativos NVM Express Inc. Um SSD NVMe otimiza as operações, e reduz a sobrecarga da CPU, o que resulta em menor latência e IOPS mais alto.

Um barramento PCIe pode fornecer latências mais baixas e taxas de transferência mais altas do que os padrões PCI ou PCI Extended (PCI-X). Com o PCIe, cada barramento tem sua própria conexão dedicada, para que eles não precisem competir por largura de banda.

Slots de expansão que aderem ao padrão PCIe podem variar de uma a 32 pistas de transmissão de dados, geralmente em grupos de 1, 4, 8, 12, 16 ou 32. Quanto mais pistas houver, melhor será o desempenho. O NVMe podem ser de 3 tipos diferentes: placas PCIe tradicionais, SSDs M.2 e SSDs U.2 de 2,5 polegadas.

VELOCIDADES E DESEMPENHO DO NVME

Ao longo dos anos, vários protocolos surgiram para facilitar a conectividade entre o software host e as unidades periféricas. Dois dos protocolos mais comuns são SATA e SAS . O protocolo SATA é baseado no padrão Advanced Technology Attachment, e o protocolo SAS é baseado no padrão SCSI.

Os protocolos SATA e SAS foram desenvolvidos especificamente para discos rígidos (HD). Embora o SAS seja geralmente considerado mais rápido e confiável, os dois protocolos podem lidar facilmente com cargas de trabalho de HDD. 

Os SSDs mudaram essa equação. Seu IOPS mais alto pode sobrecarregar rapidamente os protocolos mais antigos, o que faz com que atinjam seus limites de velocidade antes que possam tirar o máximo proveito dos recursos de desempenho da unidade.

O NVMe foi desenvolvido do zero especificamente para SSDs para melhorar a taxa de transferência e IOPS, enquanto reduz a latência e aumenta a velocidade geral do SSD NVMe. 

As unidades baseadas em NVMe de hoje podem teoricamente atingir taxas de transferência de até 32 GBps, mas o máximo prático é uma taxa de transferência próxima de 7 GBps.  Ao mesmo tempo, as taxas de latência continuam caindo. Muitos drives atingem taxas abaixo de 20 microssegundos (µs) e alguns abaixo de 10.

Os protocolos mais antigos não funcionam tão bem em SSDs. As unidades baseadas em SATA atuais podem atingir taxas de transferência de apenas 6 Gbps, com IOPS chegando a cerca de 100.000. As latências normalmente excedem 100 µs, embora alguns SSDs mais recentes possam atingir latências muito mais baixas. 

As unidades SAS oferecem um desempenho um pouco melhor; eles fornecem taxas de transferência de até 12 Gbps, e IOPS em média entre 200.000 e 400.000. Mesmo assim, IOPS mais baixos não são incomuns. Em alguns casos, as taxas de latência do SAS caíram abaixo de 100 µs, mas não muito.

Uma razão para isso é que o NVMe usa um conjunto de comandos mais simplificado para processar solicitações de E / S, o que requer menos da metade do número de instruções de CPU geradas por SATA ou SAS. NVMe também tem um sistema muito mais extenso e eficiente para enfileirar comandos. SATA e SAS oferecem suporte a apenas uma fila de E / S por vez. A fila SATA pode conter até 32 comandos pendentes e a fila SAS pode conter até 256. O NVMe pode suportar até 65.535 filas e até 64.000 comandos por fila.

Apesar das vantagens que o NVMe oferece, o protocolo é limitado a hosts individuais. Embora isso possa ser útil em alguns cenários, muitas organizações procuram sistemas distribuídos que possam implementar em seus data centers. Por esta razão, NVM Express desenvolveu uma segunda especificação: NVMe-oF.

O novo padrão foi publicado em junho de 2016 para estender os benefícios do NVMe em sistemas de rede, como Ethernet, InfiniBand e Fibre Channel. A organização estima que 90% da especificação NVMe-oF é a mesma que a especificação NVMe. A principal diferença entre os dois é a maneira como os protocolos lidam com comandos e respostas entre o host e o subsistema NVM.

O protocolo NVMe mapeia os comandos e respostas para a memória compartilhada do host. O protocolo NVMe-oF facilita a comunicação entre o host NVMe e o dispositivo de armazenamento NVMe conectado à rede. O novo protocolo estende as distâncias que os dispositivos NVMe podem ser acessados dentro do data center, ao mesmo tempo que torna possível escalar para muitos dispositivos.

A especificação NVMe-oF originalmente fornecia dois métodos para comunicação. O primeiro usa RDMA para oferecer suporte à conectividade em malhas, como InfiniBand, RDMA sobre Ethernet Convergente e o protocolo RDMA de área ampla da Internet. A segunda abordagem é específica para o transporte Fibre Channel e inclui as malhas Fibre Channel e Fibre Channel sobre Ethernet.

Em 2019, o NVM Express lançou a especificação NVMe-oF 1.1, que adicionou suporte para TCP. NVMe sobre TCP torna possível usar NVMe-oF em redes Ethernet padrão sem a necessidade de fazer alterações de hardware ou configuração. O novo padrão ajuda a preencher a lacuna entre DAS e SANs, enquanto aproxima o NVMe-oF de se tornar o padrão de fato para armazenamento corporativo.

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