Что такое NVMe (M.2) SSD и в чем его отличие от обычных SSD дисков

В данной статье мы рассмотрим основные вопросы, которые возникают при покупке новых SSD дисков, форм-фактора M.2 с интерфейсом PCI-E, а также их достоинства, недостатки и отличия от обычных SSD и HDD дисков с интерфейсом SATA.

Описание

Возможно, что во время выбора SSD накопителя у вас возникал вопрос: «Что такое NVMe и чем он отличается от обычного твердотельного накопителя» или «Какие у него преимущества и за что именно мне придётся переплатить». Тоже сталкивались с этими вопросами и не знаете ответ? Не стоит волноваться, специально для такого случая мы и подготовили этот материал.

В этой статье вы сможете найти большинство ответов на свои вопросы, которые могли возникнуть у вас при выборе SSD диска. В дополнение мы разберём, в чем заключаются отличия SSD диска с механизмом AHCI от SSD диска, работающего на новой спецификации NVMe, и как вообще разобраться в этих сокращениях и понять, как всё устроено и работает на самом деле.

К сожалению, просто объяснить всё в паре предложений, а именно почему твердотельный диск с поддержкой NVMe спецификации лучше или почему вам не нужно ждать и уже сейчас стоит задуматься о покупке твердотельного накопителя с поддержкой NVMe, так просто не получится. Для этого нам придётся совершить небольшой экскурс в прошлое и понять, какие причины привели к появлению и закреплению на рынке NVMe спецификации для твердотельных накопителей.

Краткий курс истории и появление NVMe спецификации.

Как мы отметили ранее, эту статью нужно начать с краткого экскурса в ускоренный курс истории и дать представление для всех без исключения пользователей, как появилась тенденция к развитию технологий хранения информации и что этому способствовало.

В то время как жесткие диски (HDD) продолжают использовать металлические пластины вращающиеся в пределах одной оси для записи и хранения информации, твердотельный накопитель (SSD) начали использовать каскад энергонезависимых микросхем (флеш-памяти) для хранения информации.

Необходимость в развитии и прогрессии технологии хранения и работы с информации, а точнее переход к использованию флеш-памяти, это естественный процесс развития параллельного вычисления, который описан в Законе Мура. В 2000-х годах развитие технологии работы с жесткими дисками начало отставать от постоянно увеличивающихся мощностей процессоров, пропускной способности памяти и компьютерных шин. На тот момент пропускная способность, которую могли обеспечить магнитные жесткие диски и интерфейс их подключения, стала «узким местом» и не позволяла обрабатывать очерёдность команд или производить чтение / запись на должном уровне, которая бы позволяла раскрыть весь потенциал процессора и других составляющих компьютера.

Первые наработки в технологии твердотельных накопителей появились в далёком 1978 году, но первые прототипы были введены в опытную эксплуатацию только в 2007 году. Первым, кому довелось испытать новую технологию, стали пользователи новой модели нетбука EEE PC 701 от компании ASUS. А уже следом в 2008 году был выпущен первый SSD накопитель с объемом 128 Gb.

С 2010 года технология твердотельных накопителей получила всеобщее распространение на рынке, и пользовательские решения стали доступны каждому желающему, хоть и по более высокой цене в перерасчете на 1 Gb / $.

С момента появления первого параллельного интерфейса подключения жестких дисков - IDE (англ. Integrated Drive Electronics) или PATA (Parallel ATA) в далёком 1986 году и ATA (англ. Advanced Technology Attachment) механизма, в который была заложена основная логика работы жесткого диска. IDE интерфейс не изменялся и не получал никаких значимых изменений и улучшений, и в какой-то момент попросту перестал обеспечивать необходимую от него пропускную способность и возможность последовательного чтения / записи.

В 2003 году на смену морально и физически устаревшему IDE пришел новый проприетарный последовательный интерфейс подключения - SATA (англ. Serial ATA), который на момент своей первой ревизии уже обеспечивал пропускную способность, равную ~150 Мбайт/с по сравнению со скоростью до 133 Мбайт/с для IDE интерфейса подключения.
Переход от IDE к SATA добавил и новую логику работы с жесткими дисками - AHCI (Advanced Host Controller Interface), которая смогла обеспечить полноценную эмуляцию ATA и с точки зрения операционной системы и драйверов не отличалась от контроллера параллельного интерфейса, но могла обрабатывать более длинную очерёдность команд и запросов в секунду.

В отличие от IDE SATA интерфейс не остановился в своей прогрессии, и уже в 2008 году появилась новая ревизия интерфейса под номером 3.0, которая на текущий момент остаётся эталонным решением и используется во всех без исключения материнских платах.

Следующая ревизия SATA интерфейса под номером 3.2 добавила новую надстройку для SATA интерфейса - SATA Express, что позволило перенести возможность подключения напрямую на шину PCI Express и снять ограничение скорости третьей ревизии SATA в 6 Гбит/с. В дополнении, переход на SATA Express добавил поддержку нового протокола доступа и работы с твердотельным накопителям - NVM Express (NVMe).
NVMe, в отличии от AHCI, получил полный набор команд и спецификаций для полноценной работы с твердотельными накопителями и возможность обрабатывать до 65000 (в то время как AHCI мог обеспечить глубину из 32 запросов) операций ввода-вывода в секунду, что позволило снять ограничения, которые были заложены в логику AHCI при работе с твердотельными жесткими дисками, и снизить задержки между циклами команд.

В силу того, что разъём SATA Express не получил должного распространения, а использование шины PCI Express оказалось довольно громоздким и не всегда целесообразным решением, у него появилась надстройка в виде разъёма M.2.
Фактически M.2 является более компактной реализацией SATA Express с поддержкой шины PCI Express 3.0 и SATA 3.0, в дополнение в надстройку M.2 была добавлена эмуляция интерфейса USB 3.0, что позволяет использовать M.2 не только для подключения твердотельных дисков, но и различных плат расширения, например Wi-Fi или Bluetooth.
В дополнение M.2 начал использоваться как замена mSATA и Mini PCI-E, которые получили распространение в мобильных решениях, различных тонких клиентах и ноутбуках.

Хоть все эти сокращения и аббревиатуры являются неотъемлемой частью в формирования понятия и представления о жестких и твердотельных дисков, их не стоит путать.

Давайте сделаем краткую выжимку из текста выше и попробуем расставить всё на свои места:

1. IDE (в последствии был переименован в PATA) — это параллельный интерфейс для подключения жестких дисков.

   

2. SATA — это последовательный интерфейс для подключения жестких дисков, который на протяжении своего жизненного цикла получил несколько номерных ревизий и улучшений.
3. Режим AHCI — это механизм или набор логики, который появился в SATA интерфейсе и используется для работы с накопителями информации.
   

   Хотелось бы отметить, что для работы режима AHCI операционная система вашего компьютера должна поддерживать данный режим. Полноценная поддержка режим AHCI была добавлена в операционные системы Windows начиная с Windows Vista.

4. NVMe (NVM Express) — это спецификация протокола доступа и работы с твердотельным накопителям (SSD), которые подключены по шине PCI Express.

И только теперь после формирования у вас понятия и представления об интерфейсах и механизмах работы накопителей информации мы можем ответить на главный вопрос: «Что такое NVMe и чем он отличается от обычного твердотельного накопителя».

NVMe SSD - это твердотельный диск с поддержкой спецификации, которая оптимизирована специально для работы с твердотельными накопителями информации и позволяет раскрыть весь потенциал флеш-памяти, которая используется в совеременных SSD.

Интерфейсы подключения NVMe (M.2) SSD дисков

На момент написания статьи на рынке есть большое количество моделей SSD NVMe дисков с различными интерфейсами подключения, такими как SATA III (самый старый), PCI-E 2.0 x2, PCI-E 2.0 x4, PCI-E 3.0 x4, PCI-E 4.0 x4 (самый новый). И неподготовленному человеку довольно трудно понять, что значат все эти аббревиатуры и какая из них лучше. Поэтому постараемся ответить на этот вопросы как можно более простым языком. Ниже вы можете увидеть таблицу с теоретическими скоростями, которые позволяет достичь каждый из интерфейсов:

Как видно из таблицы, на текущий момент самым быстрым является интерфейс PCI-E 4.0 x4, т.к. он дает огромную скорость чтения и записи, а самым медленным SATA III.

Размеры NVMe (M.2) SSD дисков (форм-фактор)

В данный момент наиболее распространенными форм-фактором для NVMe дисков является M.2 2280 (т.е. размером 22мм х 80мм), также на рынке существуют и другие размеры, наиболее популярными из которых являются M.2 2230 (22мм х 30мм), M.2 2242 (22мм х 42мм), M.2 2260 (22мм х 60мм), M.2 22110 (22мм х 110мм). Более наглядно вы можете это увидеть на картинке ниже:

Стоит ли покупать NVMe (M.2) SSD диск?

Все зависит от того, для чего он вам нужен. NVME диск идеально подойдет в случае, если вы ставите операционную систему на этот диск (не важно Windows, Linux или что то другое), т.к. благодаря огромной скорости чтения и записи информации, ваша ОС будет загружаться очень быстро, а также будет минимум тормозов в процессе работы, если остальные комплектующие подобраны правильно. Также, если вы используете ресурсоемкие программы (видеоредакторы, моделирование и графика, компьютерные игры), то будет очень заметное увеличение производительности (например, скорость загрузки различных уровней в современных компьютерных играх). Одним словом любые программы, которые при своей работе должны много информации считывать с диска, либо наоборот записывать будут работать намного быстрее, чем если бы они были запущены со старого HDD или SSD диска.

Если же у вас уже есть какой-нибудь старый SSD диск, форм-фактора 2.5", на который установлена ОС, а компьютер вы используете исключительно чтобы посмотреть ютуб и посидеть в социальных сетях, либо же редактировать документы Word, то особого смысла в покупке NVMe диска нет, т.к. хоть он и даст увеличение производительности в некоторых задачах, это не будет так заметно, как при переходе с HDD на SSD