Твердотельные накопители (SSD) с интерфейсом NVM Express.

Твердотельные накопители  (SSD)  с интерфейсом NVM Express.

Накопители, использующие NVM Express, могут представлять собой полноразмерные карты расширения PCI Express либо устройства SATA Express. Спецификация M.2 (ранее известная как NGFF) для компактных накопителей также поддерживает NVM Express в качестве одного из логических интерфейсов.

                В середине-конце 2000-х многие SSD-накопители использовали компьютерные шины SATA, SAS или Fibre Channel для взаимодействия с компьютером. На массовом рынке SSD чаще всего использовали интерфейс SATA, разработанный для подключения жестких дисков форм-факторов 3,5 и 2,5 дюйма. Однако SATA часто ограничивал возможности развития SSD, в частности, максимальную скорость передачи данных.

Технология Intel Rapid Storage теперь поддерживает работу NVM Express, NVMe, NVMHCI (от англ. Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification) — спецификация на протоколы доступа к твердотельным накопителям  (SSD), подключенным по шине PCI Express. "NVM" в названии спецификации обозначает энергонезависимую память, в качестве которой в SSD повсеместно используется флеш-память типа NAND. Логический интерфейс NVM Express был разработан с нуля, с учетом низких задержек и высокого параллелизма твердотельных накопителей с интерфейсом PCI Express, а также широкой распространенности многоядерных процессоров. NVMe позволяет повысить производительность за счет более полного использования параллелизма устройств и программного обеспечения.

Высокопроизводительные SSD изготавливались с интерфейсом PCI Express и ранее, однако они использовали нестандартные логические интерфейсы, либо применяли многоканальные SATA-/SAS-контроллеры, к которым на той же плате подключалось несколько SSD-контроллеров. Путем стандартизации интерфейсов SSD можно было бы сократить количество драйверов для операционных систем, производителям SSD больше не пришлось бы отвлекать ресурсы на создание и отладку драйверов. Подобным образом принятие спецификаций USB mass storage позволило создать большое разнообразие USB-флеш-накопителей, которые смогли работать с любыми компьютерами, не требуя оригинальных драйверов для каждой модели.

                Первые подробности о новом стандарте доступа к энергонезависимой памяти появились на Intel Developer Forum еще в 2007 году, где NVMHCI был указан как интерфейс к персональному компьютеру для предлагаемого контроллера флеш-памяти с шиной ONFI.  В 2007 году была собрана рабочая группа для проработки NVMHCI во главе с Intel. Первая спецификация NVMHCI 1.0 была закончена в апреле 2008 года и размещена на сайте Intel.

Техническая проработка NVMe началась во второй половине 2009 года. Спецификации NVMe были разработаны "NVM Express Workgroup", в которую входило более 90 компаний, председателем группы был Amber Huffman из Intel. Первая версия NVMe 1.0 была издана 1 марта 2011 года, версия 1.1 - 11 октября 2012 года. В версии 1.1 были добавлены многопутевой ввод-вывод и возможность проведения DMA-операций по множеству адресов с фрагментами произвольной длины (arbitrary-length scatter-gather I/O). Последующие версии стандарта улучшат управление пространствами имен. Из-за изначальной фокусировки на корпоративных применениях стандарт NVMe 1.1 получил название "Enterprise NVMHCI". Обновление базовой спецификации NVMe, версия 1.0e, вышла в январе 2013 года.

Первые контроллеры SSD, реализующие NVMe, были выпущены Integrated Device Technology в августе 2012 года (89HF16P04AG3 и 89HF32P08AG3). Первый твердотельный диск с NVMe, Samsung XS1715 для корпоративных применений был анонсирован в июле 2013 года, он обеспечивал чтение на скоростях 3 ГБайт/с.  В ноябре 2013 года LSI SandForce выпустила контроллер SF3700 с NVMe, показавшие скорости последовательных обращений в 1,8 ГБайт/с и 80-150 тысяч IOPS на случайных обращениях при использовании физического интерфейса PCI Express 2.0×4. На Consumer Electronics Show 2014 компания Kingston представила потребительский продукт HyperX Predator на этом контроллере. В июне 2014 Intel представила свои первые линейки корпоративных накопителей с NVM Express: DC P3700, DC P3600, DC P3500.

Скорость обмена данными в SSD накопителях требуют новых шин и правил обмена данными для реализации потенциала «дисков». Необходимость расширить «узкое горлышко» пропускной способности существующих интерфейсов для накопителей - именно этим и объясняется появление интерфейса NVMe (NVM Express). Основные особенности NVM Express устройств на сегодня:

 - «ближе» к центральному процессору;
 - совместимость с разъемами SATA, SAS;
 - более, чем 2-х кратное увеличение производительности в сравнении с устройствами SAS 12 Гб/с по основным параметрам (чтения, записи, операций ввода/вывода — IOPS);
 - снижение задержек (latency).

Производительности промежуточные уровни иерархии не добавляют: чем прямее путь, тем выше скорости. Конечно, с точки зрения совместимости «стандартные» интерфейсы предпочтительнее, но ведь PCIe эту самую совместимость ограничивает изначально. Поэтому как только речь зашла об использовании этого интерфейса, производители сразу же задумались и о соответствующей программной прослойке: чтоб в ней не было ничего лишнего для SSD, зато учитывались все их особенности. Так появился интерфейс NVMe (Non-Volatile Memory Express).

Новая линейка Intel SSD 750 (рис. 1) стала первой с интерфейсом NVMe, специально разработанным для настольных компьютеров (стандарт AHCI, который сегодня используется в современных жёстких дисках и SSD, изначально не предназначался для накопителей на флэш-памяти). Стандарт NVMe изначально был оптимизирован под полупроводниковую память, он уже активно применяется в корпоративном сегменте и серверах. NVMe обеспечивает более высокую производительность (по спецификациям Intel SSD 750 – по чтению заявлена скорость около 2 Гбайт/с). Для повышения производительности Intel SSD 750 может переключаться в режим RAID 0. В таком случае вы не сможете загрузиться с накопителя, что вполне возможно в одиночном режиме.

Intel разрабатывала семейство SSD 750 в тесном сотрудничестве с производителями материнских плат, чтобы обеспечить максимальную производительность и совместимость. Стандарт очень хорошо сочетается с платформой X99, где от «старших» CPU отходит 40 линий PCI Express, что позволяет использовать, например, две видеокарты x16 и два накопителя Intel SSD 750 с полной конфигурацией линий. Intel SSD 750 имеет интерфейс PCI Express (Gen3) с четырьмя линиями, что соответствует теоретической пропускной способности 4.000 Мбайт/с. Intel настоятельно не рекомендует устанавливать накопитель в слоты PCI Express, которые подключены не к CPU, а к чипсету PCH. Дело в том, что сам чипсет подключается к процессору через шину DMI 1,8 Гбайт/с, так что придётся пожертвовать значительной долей производительности (до 50%).

Intel SSD 750 может работать и на старых платформах, но на старых платформах могут возникать проблемы с совместимостью, которые производители не желают решать из-за возраста продуктов. Кроме того, накопители Intel SSD 750 выйдут не только в виде карты PCIe половинной высоты, но и 2,5" SSD. Здесь тоже будет использоваться новый разъём, так что 2,5" накопитель не совместим с SATA. Intel планирует использовать разъёмы SFF-8639 и 8643-SFF со стороны накопителя и материнской платы. Подобный разъём в будущем будет устанавливаться на как можно большем количестве моделей материнских плат. Накопитель в 2,5" формате подключается к разъёму специальным экранированным кабелем. Что касается охлаждения обоих вариантов, то Intel рекомендует «активное охлаждение» и стоит избегать установки Intel SSD 750, например, между двумя видеокартами или там,  где нет достаточной циркуляции воздуха. Максимальная нагрузка записи - 70 Гбайт в день или 219 Тбайт в общей сложности (TBW). Intel SSD 750 будут стоить несколько дороже классических SSD SATA, но в любом случае, у Intel SSD 750 пока что практически не будет конкурентов, так как другие производители выпускают накопители PCI Express с поддержкой AHCI, а не NVMe.

Рис. 1.

Одной из основных задач, стоящих перед разработчиками NVM Express  — сделать накопители «ближе» к центральному процессору, что позволило уменьшить задержки и «накладные расходы» при передаче данных (рис. 2, 3)

Рис. 2.

                                                Рис. 3.

Основой всех «корпоративных» линеек и более дешевого Intel 750 (нацеленного на рынок персональных компьютеров и рабочих станций) является собственный контроллер Intel CH29AE41AB0. Он поддерживает восемнадцать каналов для подключения флэша, в то время как «бытовые» контроллеры ограничиваются восемью, а то и четырьмя. Высокий параллелизм (которым, как уже было сказано выше, именно NVMe-устройства способны распорядиться наилучшим образом) является залогом высокой производительности, но максимального быстродействия можно ожидать лишь от старших (и самых дорогих) модификаций. NVMe меняет практически всё (ведь основной целью его разработки является упразднение промежуточных уровней привычных и проверенных временем - например, становится невозможной загрузка в Legacy-режиме, только загрузка UEFI. А так же Intel, например, гарантирует поддержку NVMe только для чипсетов «девятого» семейства, а вот с предыдущими возможны проблемы. Кроме того, потребуется и специальный драйвер. Поддержка NVM Express, уже обеспечена в Windows 8.1, в Windows Server 2012 R2 и в Linux начиная с версии 3.10.