2 типа твердотельных накопителей M.2: SATA и NVMe
Когда речь идет о M.2 в технологии хранения данных, обычно мы говорим о твердотельных накопителях, ссылаясь на их форм-фактор. M.2 относится к форм-фактору твердотельных накопителей, который напоминает пластинку жевательной резинки. Благодаря небольшой и тонкой конструкции они идеально подходят для легких и портативных компьютеров, таких как ноутбуки, компьютеры NUC и ультрабуки. Они занимают меньше места, чем 2,5-дюймовые твердотельные накопители или жесткие диски, и могут иметь емкость до 2 ТБ.
Теперь, когда мы выяснили, что такое M.2, давайте рассмотрим вопрос: «M.2 быстрее твердотельного накопителя?»
Ответ — «нет». M.2 — это форм-фактор твердотельных накопителей, поэтому такой вопрос на самом деле лишен смысла. Тем не менее, путаница, из-за которой он возникает, понятна, поскольку твердотельные накопители M.2 относительно новы по сравнению с другими форм-факторами твердотельных накопителей клиентского класса. Есть два типа твердотельных накопителей M.2: на основе SATA и на основе NVMe. Они различаются технологией хранения. И, в зависимости от ваших потребностей и бюджета, у каждого из них есть свои плюсы и минусы.
Полезный совет. Имейте в виду, что твердотельный накопитель M.2 совместим только с системной платой, поддерживающей разъем M.2 Проверьте системную плату вашего компьютера, чтобы убедиться, что в ней есть разъем M.2.
Твердотельный накопитель M.2 SATA
Начнем с того, что в декабре 2022 года мы отгрузили последний наш твердотельных накопителей SATA M.2 — A400 M.2. Мы больше не производим SSD-накопители M.2 на базе SATA, и в будущем все наши SSD-накопители M.2 будут NVMe. В то время SSD-накопители SATA M.2 использовали интерфейс SATA с максимальной скоростью передачи данных 6 Гбит/с. Это медленно по сравнению с более новыми интерфейсами (подробнее об этом ниже). SSD-накопители на основе SATA относятся к самому низкому классу твердотельных накопителей с точки зрения производительности. В них используется тот же интерфейс, что и в жестких дисках. Тем не менее, SSD-накопители на основе SATA имеют в 3–4 раза большую пропускную способность по сравнению с жесткими дисками. Твердотельные накопители SATA были более доступны и стоили дешевле, чем твердотельные накопители NVMe. SSD-накопители M.2 SATA были отличной альтернативой 2,5-дюймовому твердотельному накопителю, если на вашем компьютере не было места для 2,5-дюймового SSD-накопителя. SSD M.2, имеющий и ключ M, и ключ B, как показано на рисунке, — это твердотельный накопитель SATA.
SATA долгое время был основным интерфейсом, используемым для хранения данных. Для работы накопителей SATA требовались два кабеля SATA. Один использовался для передачи данных к системной плате, а другой — для подачи питания на БП (блок питания). Путаница кабелей была одной из проблем, которые могли повлиять на производительность ПК при использовании нескольких накопителей SATA. В тонких ноутбуках и портативных компьютерах, включая ультрабуки, нет места для кабелей SATA, поэтому в них используется форм-фактор M.2. SSD-накопитель SATA с форм-фактором M.2 решал эту проблему, поскольку у него не было двух кабельных соединений, которые ранее использовались в других накопителях на основе SATA.
Тем не менее, то, что это SSD M.2, не меняет того факта, что это твердотельный накопитель с интерфейсом SATA. Основное различие между SSD M.2 SATA и NVMe — это технология интерфейса и уровни производительности. В SSD-накопителе M.2 SATA по-прежнему используется технология интерфейса на основе SATA. Скорость и производительность не улучшается, если только это не SSD M.2 NVMe.
Твердотельные накопители M.2 NVMe
SSD M.2, имеющий только ключ M, как показано на рисунке, — это твердотельный накопитель NVMe. В твердотельных накопителях M.2 NVMe используется протокол NVMe, специально разработанный для твердотельных накопителей. В сочетании с шиной PCIe твердотельный накопитель NVMe обеспечивает высочайший уровень производительности и быстродействия. Твердотельные накопители NVMe обмениваются данными напрямую с процессором системы через разъемы PCIe. По сути, это позволяет флеш-памяти работать как твердотельному накопителю напрямую через разъемы PCIe, вместо того, чтобы использовать коммуникационный драйвер SATA, который работает намного медленнее, чем NVMe.
Твердотельные накопители M.2 NVMe гораздо более производительны по сравнению с твердотельными накопителями M.2 SATA. Используя шину PCIe, твердотельные накопители M.2 NVMe имеют теоретическую скорость передачи до 20 Гбит/с, что уже выше, чем у твердотельных накопителей M.2 SATA (6 Гбит/с). Шины PCIe могут поддерживать 1, 4, 8 и 16 линий. PCIe 3.0 имеет эффективную скорость передачи до 985 МБ/с на линию, что означает потенциальную скорость передачи данных до 16 ГБ/с. Однако при использовании форм-фактора M.2 с шиной PCIe доступны только 2 и 4 линии, что обеспечивает максимальную скорость передачи данных до 4 ГБ/с.
NVMe работает быстрее SATA? Технически, да. В современных системных платах используется интерфейс SATA III с максимальной пропускной способностью 600 МБ/с, в то время как накопители NVMe обеспечивают скорость до 3500 МБ/с. Уровень производительности намного выше, чем у твердотельных накопителей SATA, независимо от форм-фактора. Только твердотельные накопители, использующие технологию NVMe, превышают ограничения скорости передачи данных, присущие твердотельным накопителям на основе SATA.
Делая выбор между твердотельным накопителем M.2 SATA или M.2 NVMe, нужно учитывать следующие моменты.
- Системная поддержка. Более старые устройства могут быть несовместимы с NVMe, поскольку в них нет необходимых подключений для использования сокетов NVMe PCIe.
- Быстрый запуск. Самый простой способ ускорить загрузку компьютерной системы — это установить ОС (операционную систему) на твердотельный накопитель. Наибольшее увеличение быстродействия вы заметите при использовании твердотельного накопителя NVMe.
- Приоритизация ресурсов накопителей. Вы можете использовать твердотельный накопитель NVMe в сочетании с другим твердотельным накопителем SATA. Это доступный вариант без лишних затрат. Вы можете установить ОС и ресурсоемкие программы и приложения на твердотельный накопитель NVMe и использовать твердотельный накопитель SATA для хранения всего остального, например меньших и менее ресурсоемких файлов, документов и т. д.
- Игровые преимущества. При использовании твердотельного накопителя M.2 NVMe вы заметите резкое сокращение времени загрузки игр. Игры, установленные на накопителях NVMe, будут показывать значительно более высокую производительность в целом благодаря скорости передачи данных при вызове игр с накопителя.
- Поколения PCIe. Существуют различные поколения шины PCIe, имеющие разный уровень производительности. Пропускная способность увеличивается вдвое с каждым поколением, и есть твердотельные накопители, использующие разные поколения PCIe. Последняя доступная версия — PCIe 4.0, а PCIe 5.0 все еще находится на стадии разработки.
- Общие соединения. На некоторых системных платах недостаточно PCIe-соединений для поддержки нескольких накопителей NVMe. Возможно, вам придется решить, использовать ли доступное соединение для видеокарты или твердотельного накопителя NVMe. В других случаях линии PCIe могут быть доступны, но только определенный тип соединений сможет поддерживать полную скорость устройств NVMe, например, соединение M.2.
Полезный совет. Помните, что M.2 — это всего лишь форм-фактор, который не делает твердотельные накопители быстрее. Уровень производительности твердотельных накопителей зависит от коммуникационного драйвера — на основе технологии SATA или NVMe. Проверьте требования системной платы, чтобы узнать, какие твердотельные накопители совместимы с вашим компьютером.
Untangling terms: M.2, NVMe, USB-C, SAS, PCIe, U.2, OCuLink
I have been working in data recovery industry for 10 years now. And in this post, I would like to explain a few abbreviations that sometimes get people puzzled. If you want to learn how these terms are used and how they correlate, this post is for you.
Look at the table with short descriptions of the most vague terms, I am providing more details further down in this text.
M.2 is a physical interface and a popular form-factor for solid state drives (SSD). It was initially designed for compact devices.
Its most popular size is 2280 (which stands for 22 mm wide by 80 mm long).
Example: Samsung 850 EVO
There are 2 physical interface keys. You can meet one or both of them used on a M.2 SSD connector. Those are B and M keys which define the gap between pins.
M.2 SATA and PCIe
While M.2 is a form-factor, SATA and PCIe are two different communication interfaces used for M.2. They define protocols (languages) and speeds.
- M.2 SATASSD reads/writes below 600 MB/s (SATA 3.0 specification defines the actual speed)
- M.2 PCIe 3.0 SSD can read/write as fast as 4000 MB/s (defined by PCIe 3.0 spec)
- M.2 PCIe 4.0 SSD can read/write as fast as 8000 MB/s (defined by PCIe 4.0 spec)
Speeds as mentioned above are just theoretical thresholds. It is always important to pay attention to the tech specs of each particular SSD.
Interesting fact
M.2 SSD cannot support both SATA and PCIe interfaces simultaneously. Though, some motherboards have hybrid slots supporting drives with both interfaces.
This host controller and specification, from a certain point of time, has been developing with intentional SSD support. NVMe became the high-performance alternative to SATA/AHCI standard. Unlike M.2, it says nothing about the form-factor.
NVMe solid state drives use PCIe slot, which provides advantage of parallel PCIe lanes to maximize data transfer speed.
NVMe drives are becoming more and more trendy these days. Samsung, the leader in SSD market, switched their mass production to NVMe.
Example: NVMe Samsung 960 PRO
Interesting fact
NVMe protocol enables to run up to 65535 commands simultaneously. It is impossible with SATA or SCSI protocols.
SAS stands for Serial Attached SCSI. SAS is a physical interface designed for server use, whereas SCSI is a communication protocol.
SAS hard disk drives are often compared to SATA HDDs. In this context, I will say that SAS drives are usually faster than SATA drives. SAS drives show 10000/15000 RPM (revolutions per minute) versus 5400/7200 RPM of SATA drives. What’s more, SAS drives are more reliable and robust, as they are made of better components than similar SATA devices.
There are cons, though. SAS drives tend to be loud, so you don’t want to use them at home. SAS drive temperature is also higher, which may cause issues. And of course, SAS is more expensive than SATA.
To sum up, SAS drives are normally used in servers.
Example: SAS Seagate with 15000 RPM
Interesting fact
You can visually differentiate SAS device by joined power and data connectors. There is a gap in SATA interface connector, while there is none in SAS connector.
U.2 is a physical interface designed mainly for SSD NVMe drives that used in servers.
Visually, it resembles SAS connector. Technically, U.2 is SFF-8639 standard while SAS is SFF-8482 standard.
Being designed for server use, U.2 supports hot swap whereas M.2 does not. As for speed, up to 4 PCIe lanes enable to reach 4 GB/s performance. In theory. The practical example of quite popular U.2 SSD model is below.
Example: Intel 750 SSD U.2
Interesting fact
There are adapters for connection of U.2 drives to M.2 ports.
USB-C (which is short for USB Type-C) is a new hardware interface, which can provide:
- a reversible connector
- support of many communication protocols (Thunderbolt 3, HDMI, Display Port)
- power delivery at 20V (100W)
There is a rule of thumb due to the variety of protocols: one should always check what’s behind a specific USB-C port in a device.
These days external drives with USB-C interface grow more popular.
Example: WD My Passport
USB 3.1
USB 3.1 is not the same as USB Type-C. USB 3.1 (Gen 2) is a standard increasing performance to up to 1250 MB/s. USB 3.0 allows half the throughput.
Interesting fact
USB-C with USB 3.1 Gen 2 support demands appropriate cable type.
OCuLink
OCuLink is a physical interface that stands for “Optical Copper (Cu) Link” and represents a cable version of PCI Express. OCuLink 2 (the last version) enables incredible performance up to 16 GT/s (8 GB/s total for ×4 PCIe lanes).
Another great feature is flexibility given OCuLink motherboard port can be used in different modes. For instance, you can connect an NVMe drive via OCuLink cable. Then change corresponding motherboard’s jumper, and the port becomes available for connection of 4 SATA drives via another OCuLink cable.
Interesting fact
Initially, they expected to bring OCuLink into laptops for connection of powerful external GPU boxes. It turned out to be a rare use. Instead, OCuLink became popular for PCIe interconnections in servers.
That’s all for now, guys! I hope I shed some light on drive-related questions arising once in a while. Please feel free to ask a question or comment below.
Чем NVMe лучше SATA и почему вам пора переходить на эти SSD
Когда-нибудь рынок сделает это за вас. То есть, переведёт ваши компьютеры на NVMe. Старые SATA-накопители можно будет найти только на барахолках, в музеях или военных бункерах, где десятилетиями ничего не обновляется. Если вы не хотите ждать милости от прогресса и хотите увидеть реальные доводы в пользу NVMe прямо сейчас, то этот текст для вас. Внимание: в нём будет много непонятных слов и аббревиатур, так что наберитесь храбрости.
О чём вообще речь?
Мы говорим об отличиях между SSD-накопителями SATA и NVMe. Хотя, строго говоря, эти два понятия нельзя сравнивать напрямую. Дело в том, что NVMe — это протокол связи, который может использоваться в накопителях разных форм-факторов, а SATA — интерфейс со вполне конкретными характеристиками и определенным разъёмом для подключения. То есть, упрощая, мы, конечно, расскажем, почему NVMe лучше SATA, но в голове держим понимание этой особенности.
NVMe — это же новый стандарт, верно?
Относительно. С 2009 по 2011 год рабочая группа трудилась над первой версией стандарта, а с тех пор он уже был несколько раз обновлён. Что касается устройств, использующих его в работе, то первые коммерческие продукты появились в 2013 году. Глядя на то, как быстро развиваются технологии, в 2021 году как-то не назовешь NVMe новинкой, это, скорее, уже мейнстрим.
А что было до него? Как работала связь с SSD-накопителями?
Сейчас расскажу, но начать придётся с самого начала.
Античность: Parallel ATA (IDE)
Ни о каких массовых SSD-накопителях в далеких 80-х речь, конечно, не шла, но инженерная задача уже появилась. Она заключалась в обмене данными между компьютерами типа PC и накопителями, роль которых выполняли традиционные магнитные жёсткие диски и съёмные носители. С легкой руки компании IBM в обиход вошла 16-битная шина ISA, под которую первоначально и разработали интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics). В этом, ныне устаревшем, решении использовалось несколько тогдашних «киллер-фич»: интеграция в накопитель, стандартизация команд, поддержка двух устройств на каждом канале. Старожилы наверняка помнят джамперы «master/slave» на жестких дисках (для определения ролей этих самых двух устройств), но, возможно, забыли, что изначально объем IDE-накопителей был ограничен 528 мегабайтами. Конечно, с развитием стандарта это ограничение ушло в историю, как и отдельные интерфейсы для оптических приводов. Увеличилась и скорость работы: появился прямой доступ к памяти (DMA), и знающие люди стали сочувственно качать головой, услышав, как у товарища «диск свалился в PIO» (т. е. из-за неполадок перешел в старый режим Programmed input/output, из-за чего стал дико тормозить и грузить процессор при работе). Но для качественного скачка нужна была совсем новая технология, и ей стал более практичный и быстрый интерфейс SATA.
Новое время: Serial ATA и AHCI
Характерные красные (как правило) кабели с 7-контактными разъемами можно встретить и в современных системных блоках. Первой версии этого интерфейса уже 18 лет в обед, с тех пор SATA-накопители нарастили максимальную скорость передачи данных с 1,5 до 6 Гбит/с. С логической точки зрения SATA тоже сильно отличается от IDE. В основе работы SATA-накопителей лежит механизм AHCI (Advanced Host Controller Interface). Интересно, что одно из его важнейших нововведений — технология NCQ (Native Command Queuing) — изначально рассчитана на работу с жесткими дисками. Она сортирует команды таким образом, чтобы магнитная головка выполняла меньше движений для доступа к разным участкам вращающихся пластин. Представляете себе эту палеонтологию: где магнитные пластины, и где современные быстрые SSD? Однако не все SSD одинаково быстры. Первые версии твердотельных накопителей вынуждены были использовать существовавшую на тот момент экосистему. С точки зрения системной архитектуры это выглядит примерно так: процессор и память через шину (разумеется, уже давно не ISA, а актуальную PCIe) связываются с хост-адаптером AHCI, работающем с устройствами SATA. Твердотельная память может работать гораздо быстрее, поэтому нужно было максимально упростить работу с ней, убрав всех посредников. Так появилась технология NVMHCI (Non-Volatile Memory Host Controller Interface), более известная как NVMe, работающая напрямую с шиной PCI Express.
Получается, NVMe накопитель можно подключить напрямую в PCIe, как видеокарту?
Да, но на практике всё зависит от конструкции конкретного накопителя. Модели, предназначенные для установки в слот PCI Express и конструктивно изготовленные в виде классических плат расширения — сравнительно редкое явление на массовом рынке. В серверах применение нашли несколько разных форматов, от классических 2,5-дюймовых U.2 до более специфических Intel EDSFF и компактных Samsung NGSFF. В обыкновенных компьютерах современные NVMe-накопители по старинке могут упаковываться в 2,5-дюймовый корпус, но все чаще используют компактный разъём M.2. И с ним связана некоторая путаница, которой важно избежать при подборе компонентов. Дело в том, что физически разъём М.2 используется для подключения как NVMe, так и SATA-накопителей. Да, есть SSD, поныне использующие медленное SATA-подключение. Визуально разницу можно понять благодаря двум характерным прорезям на коннекторе, по скорости же SATA ограничивает накопитель планкой в 600 МБ/с.
SATA SSD, M.2 и NVMe: разница между форм-факторами и протоколами передачи данных
Разбираемся в основных терминах, связанных с твердотельными накопителями. Начнем с жестких дисков и их отличий от SSD, подчеркнем различия 2,5-дюймовых SSD от M.2-накопителей, а также сравним SATA с NVMe.
На самом деле сравнивать понятия SSD, M.2 и NVMe некорректно. Один из них — это накопитель данных, другой — форм-фактор накопителя, а третий — вообще стандарт передачи данных. Чтобы не путаться в терминах, углубимся в эти понятия. Начнем с жестких дисков и их отличий от SSD, подчеркнем различия 2,5-дюймовых SSD от M.2-накопителей, а также сравним SATA с NVMe.
Что такое жесткий диск, или HDD
Сначала разберемся с основными видами дисков, которые можно встретить в серверах, — HDD и SSD.
Обычный ПК, как и сервер, состоит из множества компонентов, из которых нас интересуют четыре:
- Процессор: отвечает за обработку информации, вычисления, за исполнение кода программ и операционной системы, управляет работой всех остальных частей.
- Материнская плата. На нее устанавливаются процессор, оперативная память, видеокарты, контроллеры, на ней расположены порты для подключения внешней памяти. Материнская плата питает все компоненты и объединяет в единое целое.
- Шины, интерфейс, порты. Могут называться по-разному, но суть одна: это соединение, которое необходимо для передачи данных — например, от оперативной памяти, к процессору.
- Жесткий диск — накопитель данных, на котором хранятся программы, файлы и операционная система. Именно ему и его вариациям посвящен этот текст.
Устройство HDD-диска
HDD, или Hard (magnetic) Disk Drive, — классический жесткий диск, хранилище данных.
В жестком корпусе диска находятся магнитные пластины, на которые записываются данные. Считываются и записываются они так: диск вращается, а головка при помощи магнитных импульсов считывает или записывает данные. Диск вращает двигатель, а всей работой заправляет микросхема — контроллер.
Данные записываются в дорожках на поверхности диска, примерно как на виниловых пластинках. При этом информация хранится не в одном месте, а в кластерах или секторах, разбросанных по диску, поэтому для считывания данных диск должен вращаться.
Чем быстрее диск вращается, тем больше данных в секунду можно считывать или записывать. Но здесь возникает ограничение: если бесконечно увеличивать скорость, то материал может не выдержать колебаний и разрушиться от нагрузок.
Эту проблему пытались решить. Например, в 2000 году компания Seagate выпустила диск Х15, который раскручивался до 15 000 оборотов в минуту. Но это скорее экзотика — обычные диски не превышают 7200 оборотов в минуту для домашних ПК, что дает 85-120 МБ/с считывания. Максимальная скорость дисков на домашних ПК не превышает 150 МБ/с.
В зависимости от размера существует несколько форм-факторов, или видов, HDD:
- 3,5 дюйма — чаще встречаются в серверах,
- 2,5 дюйма — для домашних ПК,
- внешние HDD — используют в качестве внешнего носителя данных (в них также используется диск на 2,5 дюйма, но есть внешний корпус).
Слева направо: HDD 3,5″, HDD 2,5″, внешний диск на 2,5 дюйма.
Что такое SSD-диск и его отличия от HDD
SSD-диск, Solid State Drive, — это твердотельный накопитель. Он работает по отличному от HDD принципу: сохраняет информацию на полупроводниковых чипах в ячейках памяти. Это так называемые «энергонезависимые немеханические запоминающие устройства». «Энергонезависимые» означает, что при потере питания данные сохраняются.
SSD состоят из резисторов, конденсаторов, контроллера, буферной DRAM-памяти, чипов постоянной NAND-памяти и разъемов подключения. Фактически это большая «флэшка». Главное отличие от HDD — не в комплектующих (здесь диски во многом схожи), а в отсутствии движущихся частей.
Из «статичности» SSD-диска следует ряд его преимуществ:
— занимает меньше места,
— более надежный (не «изнашивается» из-за чтения данных),
— быстрее записывает и считывает данные.
Скорость чтения у них варьируется от 270 до 500 МБ/c, что в разы выше, чем у HDD. Так, время полной загрузки Windows 7 у HDD составляет в среднем 49 секунд, а у SSD — 19 секунд.
Интерфейсы подключения дисков: SATA и NVMe
Интерфейс — это набор способов подключения к материнской плате, методов и правил взаимодействия диска с остальными частями ПК. Сюда входят и виды физических разъемов, и протоколы передачи данных, и способы передачи данных.
Параллельный интерфейс подключения IDE
Наглядный пример интерфейса применительно к HDD-дискам — это IDE (Integrated Drive Electronics), или ATA (Advanced Technology Attachment). Условно это простой способ подключения жесткого диска к материнской плате через шлейф из 40 или 80 жил.
Так выглядят порты для IDE на HDD.
На фото хорошо просматривается разъем под IDE. Источник
Мы упоминали, что в интерфейс входят и методы передачи данных. Для IDE таких методов несколько. Например, PIO (Programmed input/output), когда данные передаются между устройствами через процессор, или DMA (Direct Memory Access), когда процессор для передачи данных не используется.
Информация через интерфейс IDE передаются параллельно, когда каждый бит данных идет по своей сигнальной линии — по физическому каналу. Поэтому для интерфейса подключение идет через 40- или 80-жильный шлейф. Передача данных идет порциями, равными количеству каналов.
Из минусов решения: параллельные каналы влияют друг на друга, что приводит к искажению сообщений. Эта проблема решена в интерфейсе SATA, ставшим развитием параллельного IDE.
Последовательный интерфейс обмена данными SATA
SATA, или Serial ATA (SATA), — это последовательный способ передачи битов информации. При нем биты идут друг за другом, по одному биту за раз.
На материнской плате могут располагаться несколько SATA-разъемов. Это позволяет подключать несколько жестких дисков, которые будут работать одновременно, что было невозможно в IDE.
Так выглядят SATA-разъемы.
Через SATA-интерфейс данные передаются быстрее, чем через IDE. В SATA меньше контактов и микросхем, и они меньше перегреваются.
Интерфейс SATA-подключения получил большее распространение в SSD-дисках. Изначально интерфейс разрабатывался для HDD-дисков, головка которых может получить доступ только к одной ячейке одной пластины (блина) диска. Поэтому в SATA-устройствах только один канал и невысокая скорость передачи данных. Такую скорость чтения предлагают разные спецификации SATA:
- 1 — 150 МБ/с;
- SATA 2 — 300 МБ/с;
- SATA 3 – 600 МБ/с.
Это теоретически максимальная скорость, и она в разы меньше скоростей стандарта NVMe, о котором мы поговорим дальше.
NVMe, или Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification, — это спецификация на протоколы доступа к накопителям. Позволяет твердотельным накопителям считывать и передавать данные через слот PCIe, о котором мы расскажем ниже.
NVMe может обеспечить скорость записи до 3,2 ГБ/с, что в 6 раз больше, чем у SATA 3. Такие показатели достигаются благодаря нескольким особенностям:
- Слот PCIe расположен прямо на материнской плате — нет «посредников» в виде кабелей.
- Для выполнения команды NVMe обращается к оперативной памяти всего один раз, когда SATA — два.
- Есть параллельность потоков.
- Есть механизмы работы с очередями и обработкой прерываний — команды с высоким приоритетом будут обрабатываться быстрее.
Протоколы передачи данных PCIe и AHCI
Теперь расскажем про режимы передачи данных на основе рассмотренных интерфейсов. Здесь наибольший интерес представляют PCIe и AHCI.
Peripheral Component Interconnect Express, или PCIe, — это последовательная шина ввода-вывода. Физически это соединение, «переходник», в виде слота или разъема для подключения устройств напрямую к материнской плате.
Верхний разъем — PCIe x4, в центре — PCIe x16, внизу — PCIe x1. Источник
У PCIe есть прямой канал «общения» с процессором и оперативной памятью, а также независимые друг от друга каналы приема и передачи данных, или линии.
Линия — это некое соединение между устройствами в виде четырех проводов: два для передачи, два для приема данных. Они передают данные как на двухполосном шоссе: в одну и другую сторону одновременно. Это называется дуплексным режимом. Два сигнальных провода с противоположной полярностью позволяет бороться с помехами.
Скорость передачи данных через PCIe зависит от версии и количества линий. Например, теоретическая скорость PCIe 3.0 — 986 МБ/с с одной линией, а с двумя — 1970 МБ/с.
Примечание. PCIe-шина рассчитана на подключение периферийных устройств — не только жестких дисков, но также GPU или сетевых карт.
PCI Express — это способ соединения с материнской платой и передачи данных. Именно его использует протокол/интерфейс NVMe.
Несмотря на название, AHCI (Advanced Host Controller Interface) — это не интерфейс в прямом смысле. Это скорее механизм или режим, который улучшает стандарт SATA.
Например, в AHCI есть горячая замена дисков без отключения сервера и алгоритм аппаратной установки очередности команд NCQ, которая достигается за счет оптимизации движения считывающей головки. Так как для SSD-дисков проблемы с той же головкой не возникает, принято считать, что режим AHCI скорее подходит для HDD-дисков.
Различие SATA в режиме AHCI и NVMe
Протокол NVMe разработан специально под SSD, чтобы раскрыть потенциал твердотельных накопителей. Дело в том, что их потенциальная скорость с SATA-подключением ограничена протоколом SATA 3, а именно — 600 МБ/с на чтение. Физически накопители способны работать в десятки раз быстрее. Для обхода ограничения есть NVME, с ним скорость SSD достигает 3,2 ГБ/с.
SATA в режиме AHCI разработан для HDD-дисков. Режим ускоряет запуск файлов, показатель IOPS и повышает производительность примерно на 20%. Можно работать в AHCI-режиме и с SSD-дисками, но большого прироста в скорости не будет.
Типы твердотельных накопителей
Теперь, когда мы рассказали об SSD, интерфейсах и режимах подключений, можно разобраться с типами SSD-дисков. Они различаются по следующим критериям:
- размер и форма;
- способ передачи данных — SATA или NVMe;
- интерфейсы, о которых мы уже писали.
SSD 2,5 дюйма SATA
Это SSD-диск, установленный в пластиковый корпус, с разъемами для SATA-подключения через SATA-кабель. На картинке видно, что плата с чипами установлена в пластиковый корпус, в котором много пустого пространства.
SSD-диск в пластиковом корпусе. Источник
Это сделано не просто так: такой формат позволяет ставить SSD 2,5” вместо HDD 2,5” в то же посадочное место. К тому же «лишнее» пространство защищает плату от повреждений и позволяет пассивно охлаждать устройство.
В этом же форм-факторе 2,5 дюйма встречаются SSD-диски не только с интерфейсом SATA. Например, WD Gold WDS384T1D0D 3.8ТБ, 2.5 дюйма, работает по интерфейсу PCIе x4.
SSD-диск Western Digital. Источник
Это накопитель для корпоративных систем, поскольку интерфейс PCIe обеспечивает быстрый доступ к данным. Форм-фактор SSD 2,5″, но с разъемом не на SATA, а U.2, который подключается к PCIe и использует 4 линии.
.Подключение происходит также через кабель — например, такой. Источник
SSD M.2
M.2 — это форм-фактор SSD. Это тот же SSD, но без пластикового корпуса: просто плата, на которой расположены чипы, контроллер, буферная память.
У них есть несколько размеров: 2230, 2242, 2260, 2280, 22110. Первые две цифры — ширина в миллиметрах, остальные — длина. Ширина всех плат — 22 миллиметра, а длина варьируется от 30 миллиметров до 110 миллиметров.
Накопители SSD M.2 подключаются в специальные слоты, без кабелей питания или шлейфов. Питаются от материнской платы.
Пример SSD M.2. Источник
Взаимодействие с материнской платой и процессором идет через разные шины и стандарты: SATA, PCIe и NVMе. Через один и тот же М.2-слот диск может передавать данные по-разному: по старой и медленной шине SATA или более современной PCIе.
Поэтому, когда речь идет об M.2, подразумевают просто форм-фактор. Как он будет подключаться и насколько быстро работать, зависит от ключа M.2 — M.2 SATA или M.2 NVMe.
Примечание. M.2 — это не всегда про SSD. Это лишь форма, в которой могут существовать и другие модули — например, Wi-Fi, Bluetooth, NFC, иные технологии.
M.2 SATA
M.2 SATA — это тот же SSD 2,5 дюйма, но в форм-факторе М.2. Он подключается через SATA.
Пример диска M.2 SATA. Источник
Почти всегда у них два «разреза» на плате — ключи M и B. Отличить их довольно просто: «разрез» ключа В справа, а у М — слева (если смотреть на плату сверху).
Скорость M.2 SATA ограничена скоростью самой последней версии SATA 3 – 600 МБ/с.
M.2 NVMe, или М.2 PCIе NVME
Это тот же SSD-диск M.2, но с интерфейсом подключения NVMe, который передает данные через шину PCI Express.
Пример диска NVMe M.2. Источник
Как видно на картинке, у такой платы один ключ — М. Поэтому М.2 SATA SSD можно подключить к любому разъему М.2, а вот совместимость M.2 NVMe не такая высокая. Версии с ключом B уже практически не встречаются.
Такие диски могут развивать большие скорости на чтение, потому что нет помехи в виде пропускной способности SATA-шины. Отклик при доступе к устройствам M.2 NVMe тоже гораздо выше. Например, скорость диска Samsung 970 EVO Plus MZ-V7S250BW 250ГБ, M.2 2280, PCI-E x4, NVMe (на картинке выше) на чтение – 3500 МБ/с, а на запись — 2300 МБ/с.
При этом SSD-накопитель Kingston 120GB A400 (SA400M8/120G) в том же форм-факторе, который работает по SATA 3, имеет меньшие характеристики IOPS — 500/320.
Тот самый SSD от Kingston.
Сравнение M.2 SATA и M.2 NVMe
Нюанс в том, что эти скорости теоретические. На практике большинство операций происходит с маленькими файлами, поэтому важна не последовательная скорость чтения файлов, а скорость работы со случайными блоками. У NVMe здесь небольшое преимущество перед SATA. Скорость загрузки ОС и программ с NVMe ненамного выше, чем у SATA. NVMе-накопители – хороший выбор при работе с крупными файлами, например, с видео.
У M.2 SATA тоже есть достоинства — они не греются, а значит, не требуют дополнительных радиаторов для охлаждения. Хотя сам слот M.2 SATA обычно стоит рядом с видеокартой.
При этом для M.2 NVME ситуация противоположная: потребление электричества NVME-устройства превышает SATA в несколько раз и они сильно греются. Как следствие, контроллер может перегреться и показатели накопителя ухудшатся. В качестве решения можно купить NVMe-устройства с комплектным радиатором или установить алюминиевую планку для пассивного охлаждения.
Можно сравнивать накопители M.2 NVMe и M.2 SATA, но не M.2 и NVMe. NVMe — это стандарт передачи данных, а M.2 – это форм-фактор SSD, где есть поддержка NVMe. Это логически и физически разные вещи.
При выборе SSD-диска нужно ориентироваться на выбранную материнскую плату, требования к скорости чтения/записи и финансовые возможности.
Выделенные серверы произвольной конфигурации
Выбирайте из нескольких десятков дисков и соберите кастомный сервер под свои задачи.
Резюме
- Твердотельный накопитель SATA — это SSD-накопитель с интерфейсом SATA, разработанным под HDD-диски.
- M.2 SSD— один из видов твердотельных накопителей. Они могут подключаться, как через SATA, так и через более быструю шину PCIе.
- NVMe — быстрый протокол передачи данных через шину PCIе. Протокол разработан под SSD-накопители.
Если объединить эти понятия, то получится, что NVMe — это не устройство, а спецификация протокола передачи данных через интерфейс PCIe с накопителя SSD M.2. Поэтому, например, словосочетание «накопитель NVMe» некорректно.
Максимальная скорость и производительность у накопителей M.2 PCIе. Но не все материнские платы и компании их поддерживают — дорогие. Не у всех плат есть слоты М.2, а если есть, чаще встречаются М.2 SATA.
M.2 SATA и SATA SSD 2,5 имеют практически одинаковые характеристики из-за общего протокола. Поэтому, если нужна компактность (например, у вас ноутбук), лучше выбрать М.2 SATA или увеличить количество M.2 NVMe-портов переходниками. Но если это стационарный компьютер, то разницы с SSD 2,5’’ нет, как по скорости, так и цене. При этом оперативно менять диски удобнее через кабель.