حافظه NVMe چیست؟ بررسی ویژگی‌ها + مقایسه با فناوری‌های پیشین

سرعت پردازش اطلاعات یا همون سرعت عملکرد هر رایانه، مهم‌ترین ویژگی اون رایانه محسوب میشه. به‌همین خاطر، وقتی قصد خرید یک رایانه‌ی جدید داریم، همواره در تلاشیم گزینه‌ای رو انتخاب کنیم که از نظر قابلیت‌ها و سرعت پردازش اطلاعات، بهترین کیفیت ممکن رو داشته باشه. در واقع، جایگزینی قطعات قدیمی با قطعات جدید، کمک میکنه بازده و سرعت پردازش اطلاعات رایانه‌مون رو افزایش بدیم. در بین عوامل افزایش سرعت پردازش اطلاعات در رایانه‌ها، نوع فناوری هارد رایانه خیلی اهمیت داره. این هاردها تا امروز سه نسل رو تجربه کردن و هارد NVMe جدیدترین اون‌هاست.

درست اینه که بگیم حافظه‌ی NVMe ولی از اون‌جایی که واژه‌ی هارد به‌عنوان جایگزین در بین مردم رواج پیدا کرده، ما هم اصطلاحا میگیم هارد. با من همراه باشین تا ببینیم چیست این هارد NVMe؟!

هارد NVMe چیست؟

NVMe حروف اختصاری و مخفف کلمات non-volatile memory express به‌معنای حافظه‌ی غیرفرار فوق سریعه. هارد NVMe یک حافظه‌ی غیرفرار و ماناست که سرعت بسیار بالایی داره و توسط تولیدکنندگان قطعاتی مثل سامسونگ، اپل، دل، اینتل و سیگیت توسعه داده شده. NVMe به سخت‌افزار و نرم‌افزار میزبان این امکان رو میده که از حداکثر موازی‌سازی در SSD‌های مدرن استفاده کنن.

هارد NVMe توسط ساختار PCI داده‌ها رو به SSD منتقل می‌کنه. PCI یک گذرگاه رایانه‌ای برای اتصال قطعات سخت‌افزاریه و از اونجا که درایوهای NVMe به‌جای یک رابط کنترل‌کننده، به خطوط PCI Express وصل میشن، NVMe یک فناوری مقیاس‌پذیر محسوب میشه.

در حال حاضر SSDهای NVMe در سطح مصرف‌کننده‌های عادی، از چهار خط استفاده می‌کنن. اما این امکان در اون‌ها وجود داره که بتونن از 16 خط PCIe هم استفاده کنن. NVMe امکان ذخیره‌سازی سریع روی هاردهای SSD رو فراهم کرده و این هم یک جهش بزرگ در حوزه‌ی ذخیره‌سازیه.

هارد NVMe انقلابی در سرعت

از اونجا که کاربران رایانه به ‌سرعت بالای خوندن و نوشتن اطلاعات از روی دیسک سخت نیاز دارن، هارد NVMe از طریق درگاه PCI به دستگاه میزبان متصل میشه. به این‌ ترتیب با هیچ‌ وقفه‌ی تکنولوژیکی‌ای در روند انتقال اطلاعات روبه‌رو نیستیم.

هارد NVMe به‌راستی انقلابی در عرصه‌ی افزایش سرعت پردازش اطلاعات ایجاد کرده. کافیه سرعت پردازش اطلاعات در این هاردها رو با فناوری‌های قبل از خودش مقایسه کنیم تا به‌درستی این امر پی ببریم. برای مثال، میانگین سرعتی که در حافظه‌های مکانیکی یا همون هارد دیسک قابل‌دستیابی بود، حدود ۲۰۰ مگابایت بر ثانیه‌ست. این مقدار برای حافظه‌های SATA SSD به‌ رقم ۵۵۰ مگابایت بر ثانیه میرسه. اما در فناوری NVMe SSD سرعت ۳ گیگابایت بر ثانیه (یعنی حدود 6 برابر نسل قبلی) قابل دست‌یابیه. همچنین، در هنگام استفاده از پیکربندی PCI Express 16 خطی، درایوهای NVMe توان 16 گیگابایت بر ثانیه رو ایجاد می‌کنن.

اگرچه بسیاری از کاربران خانگی به چنین سرعتی در پردازش اطلاعات نیازی ندارن، اما باید توجه داشت که افزایش این سرعت باعث میشه عملکردهای رایانه به‌ویژه برای کاربران حرفه‌ای با سرعت و کیفیت بالاتری انجام بشه.

تاریخچه‌ی هارد NVMe

تا قبل از ارائه‌ی فناوری هارد NVMe، به‌روزترین فناوری، هارددیسک (HDD) یا حافظه SSD بود. اگرچه هاردهای SSD نسبت به فناوری قبل از خودشون، 511 درصد افزایش سرعت پردازش داشتن، اما مشکلی که در مورد اون‌ها وجود داشت، این بود که همچنان از درگاه اتصال انواع SATA استفاده می‌کردن. این موضوع باعث میشد این هاردها نتونن از تمام توانایی و پتانسیل خودشون استفاده کنن. به همین دلیل مهندسان شرکت‌های بزرگ تولیدکننده‌ی سخت‌افزار به فکر طراحی مدل جدیدی از هاردها افتادند که این ایراد در اون‌ها برطرف شده باشه.

از سال ۲۰۰۹ میلادی 90 شرکت توسعه‌دهنده‌ و تولیدکننده‌ی سخت‌افزارهای رایانه‌ای، به رهبری شرکت چندملیتی و آمریکایی اینتل، کار توسعه‌ی فناوری هارد NVMe رو آغاز کردن. در ماه مارس سال 2009 میلادی نسخه‌ی ۱.۱ NVMe منتشر شد. در نسخه‌ای که کمی بعد منتشر شد، امکان پشتیبانی از SSD به کمک چند درگاه PCIe هم اضافه شد.

در ماه نوامبر سال ۲۰۱۴ نسخه‌ی ۱.۲ هارد NVMe به بازار عرضه شد که از مزیت‌های مصرف بهینه‌ی انرژی، قابلیت به‌روزرسانی و پشتیبانی زنده برخوردار بود. بعد از اون در ماه ژوئن سال ۲۰۱۷ نسخه‌ی پاک‌سازی‌شده‌ی NVMe از بلاک‌های لول پایین وارد بازار شد که هنوز هم از این نسخه استفاده میشه. این نسخه تحت عنوان ۱.۳ به بازار عرضه شده.

مزایای هارد NVMe

• هارد NVMe از سرعت بسیار بالایی برخورداره.
• باعث افزایش سرعت بارگذاری بخش‌های مختلف سیستم‌عامل میشه.
• مشکل تاخیر استفاده از حافظه در این هارد برطرف شده.
• پروتکل NVMe از درگاه PCI Express استفاده می‌کنه.
• امکان موازی‌سازی رو تا چندین برابر افزایش میده.
• مصرف انرژی رو به‌طرز قابل‌توجهی کاهش میده.
• دست‌یابی به حافظه و تعداد اعمال ورودی و خروجی در ثانیه بیش‌تر میشه.
• با رفع وقفه‌ی تکنولوژیک، پردازش اطلاعات با سرعت بالایی محاسبه و انجام میشه.
• سیستم caching قدرتمندی داره و از این طریق باعث بهینه‌سازی در زمان دست‌یابی به دیتابیس‌های بزرگ میشه.

فرم‌فکتورهای حافظه NVMe

فرم فکتورها به سازگاری فیزیکی حافظه با فضایی که در سیستم موجود هستش، طول، عرض، ارتفاع هارد و همین‌طور موقعیت اتصالات اشاره داره. چهار مدل از فرم‌فکتورهای حافظه برای NVMe وجود داره که در ادامه، مشخصات اون‌ها رو با هم مرور می‌کنیم:

فرم‌فکتور M.2

فرم فکتور M.2 رایج‌ترین فرم‌فکتور برای حافظه‌های NVMe به‌شماررفته و با استفاده از کانکتور اون میشه تا چهار لاین از PCIE 3.0 یا PCIE 4.0 استفاده کرد.

فرم‌فکتور U.2

فرم فکتور U.2 که با نام SFF-8639 هم شناخته میشه، حداکثر از ۴ لاین PCIE بهره می‌بره. این فرم فکتور به‌طور معمول در رایانه‌ها استفاده میشه.

فرم‌فکتور U.3

فرم فکتور U.3 فرم‌فکتور توسعه‌یافته‌ی U.2 محسوب میشه و از کانکتور SFF-8639 استفاده می‌کنه. حافظه‌های U.3 با U.2 سازگارن اما امکان استفاده از حافظه‌ی U.2 در بستر U.3 وجود نداره.

فرم‌فکتور AIC

به‌طور معمول، تمام حافظه‌های NVMe اولیه از نوع HHHL AIC یا FHHL AIC بودن و از اینترفیس PCIE 2.0 و PCIE 3.0 بهره می‌بردن. یک حافظه‌ی HHHL AIC به درگاه PCIE سرور متصل میشه.

مقایسه‌ی هارد NVMe SSD و SATA HDD

درایوهای NVMe SSD نسبت به درایوهای SATA HDD در مقایسه‌ی عملکرد، قابلیت‌های بسیار بالاتری دارن. در حالی که فناوری به‌کاررفته در درایوها تفاوت عمده‌ای رو ایجاد می‌کنه، IOPهای انجام‌شده توسط یک درایو به‌ عوامل مختلفی مثل CPU، حافظه‌ی رایانه و سرور بستگی داره.

برای مثال SATA HDD در بهترین حالت، IOP بین 40 تا 80 و سرعت خواندن / نوشتنی حدود 240 مگابیت در ثانیه رو ارائه میده. در مقابل، درایوهای NVMe SSD می‌تونن IOP‌ای بیش از 300 هزار و سرعت خوندن/نوشتنی نزدیک به 2 گیگابیت بر ثانیه داشته باشن.

امروزه به‌ندرت از هارد دیسک‌های مکانیکی استفاده میشه. طی ده سال اخیر، بسیاری از ارائه‌‎دهندگان هاست از فناوری SSD استفاده می‌کنند. البته بعضی هم از سرورهایی با HDDهای هیبریدی جدید بهره می‌برن که سرعت قابل‌توجهی داره اما همچنان با فناوری NVMe SSD قابل‌مقایسه نیست.

مقایسه‌ی هاردهای SATA SSD با NVMe SSD

همون‌طور که پیش‌تر گفتیم، در اوایل عرضه‌ی SSDها به بازار سخت‌افزار، شرکت‌های سازنده متوجه شدند که برای رسیدن به حداکثر پتانسیل این نوع حافظه‌ها، به یک پروتکل و درگاه ارتباطی جدید نیاز دارن. اما تعریف یک استاندارد جدید و معرفی گسترده‌ی اون به بازار، فرایندی زمان‌بر بود.

اگرچه درگاه SATA تونسته بود در نسخه‌ی ۳.۳ خودش به سرعت بالایی دست پیدا کنه اما در عمل، سرعت اون به‌سختی به 550 مگابایت بر ثانیه می‌رسید. حتی نسخه‌ی ۳.۳ این درگاه بسیار کندتر از پتانسیل حافظه‌های SSD امروزیه.

قدم بعدی استفاده از فناوری PCI Express بود که پیش‌تر برای انتقال داده‌های مربوط به کارت گرافیک از اون استفاده میشد. هرچند فناوری PCI Express قبل از وجود استاندارد NVMe ارائه شده بود، اما استفاده از اون برای ذخیره‌سازی اطلاعات متداول نبود.

سرانجام هارد NVMe تونست با کم کردن تاخیر در اجرای فرمان‌ها و افزایش ظرفیت اجرای اون‌ها تا ۶۴ هزار فرمان، محدودیت‌های استانداردهای قبلی رو از میون برداره. امروزه استاندارد NVMe با افزودن ویژگی‌هایی مثل امکان استفاده از بخشی از حافظه‌ی سیستم رایانه به‌عنوان حافظه‌ی پنهان، به نسخه‌ی 1.31 فعلی تغییر یافته.

تفاوت هاردهای SATA SSD با NVMe SSD در عملکرد

برای درک بهتر تفاوت هاردهای SATA SSD با NVMe SSD در عمل، میشه به تغییر عملکرد و افزایش سرعت مک بوک پروی جدید نسبت به مدل‌های پیشین اشاره کرد. در مک بوک پروی جدید دیگه نیازی نیست برای بالا اومدن سیستم یا بازشدن برنامه‌ها چند دقیقه صبر کنیم تا برنامه‌ها اجرا یا ذخیره بشن. در این مدل، سیستم ظرف چند ثانیه بوت و آماده به‌کار میشه. دلیل این‌همه تغییر و افزایش سرعت، استفاده از هارد NVMe SSD در مک بوک پروی جدیده که چهاربرابر از SATA SSD سریع‌تره و همین سرعت، عملکرد رو تا ده برابر ارتقا میده.

راستی به‌یاد داشته باشید که حتی در سیستمی که از هارد NVMe بهره می‌بره، هنوز هم هارددیسک‌ها بهترین ذخیره‌سازها هستن. یعنی اگه فایل‌هایی دارین که به‌ندرت از اون‌ها استفاده می‌کنین، بهتره اون‌ها رو روی هارد دیسک رایانه‌تون ذخیره کنید.

مزایای پروتکل NVMe

پروتکل NVMe در کل برای ارتباط با حافظه‌های NVM مثل حافظه‌های فلش NAND امروزی و نسل آینده‌ی فناوری‌های NVM طراحی شده و محدودیت‌های واسط‌های دیسک سخت رو نداره.

پروتکل NVMe از 64 هزار دستور در هر صف پشتیبانی می‌کنه و 64 هزار صف داره. این صف‌ها به‌صورتی طراحی شدن که دستورات ورودی/خروجی و پاسخ‌های مربوط به اون‌ها همه روی یک هسته‌ی CPU اجرا میشن. به همین دلیل، با استفاده از این پروتکل میشه از قابلیت‌های پردازش موازی CPUهای چند هسته‌ای هم بهره گرفت.

تحت قابلیت‌های اجرایی پروتکل NVMe هر برنامه یا رشته می‌تونه صف دستور مخصوص به خودش رو ایجاد کنه و نیازی به I/O Locking نداره. حافظه‌ی NVMe از MSI-X و Interrupt Steering هم پشتیبانی می‌کنه و با جلوگیری از ایجاد ترافیک بالا روی CPU به سیستم‌ها اجازه‌ی گسترش‌پذیری فوق‌العاده‌ای میده.

برای استفاده از هارد NVMe به چی نیاز داریم؟

به‌طور کلی، برای رایانه‌هایی که درگاه PCI Express دارند، با تهیه‌ی یک آداپتور می‌تونید هارد NVMe رو به رایانه‌تون وصل کنید و از سرعت بالای اون نهایت استفاده رو ببرید.

برای بهره‌مندی کامل از NVMe SSD، باید بتونید سیستم عامل رایانه‌تون رو از اون بوت کنید. برای انجام این‌ کار، به ورود به بایوس نیاز دارید و BIOS شما باید از اون پشتیبانی کنه. چون بیش‌تر بایوس‌های قدیمی از بوت‌شدن از NVMe پشتیبانی نمی‌کنن. همچنین به‌نظر نمی‌رسه که سازندگان هم قصد ارائه‌ی به‌روزرسانی برای این بایوس‌ها رو داشته باشن.

به‌طور کلی، درگاه M.2 برای پشتیبانی از USB 3.0 در کنار SATA و PCIe درنظر گرفته شده، اما نسل‌های ابتدایی اون، فقط از SATA پشتیبانی می‌کنند. به‌همین دلیل بهتره قبل از خریداری حافظه‌ی‌ جدید، اطلاعات مربوط به مادربرد کامپیوتر خودتون رو مطالعه کنید یا به‌صورت آنلاین از سازگاری اون با استاندارد NVMe مطمئن بشید.

نکته‌ی دیگه‌ای که ‌وقت خرید هارد NVMe باید در نظر بگیرید اینه که به‌‌عنوان یک کاربر ساده، نسخه‌ی ۲.۵ اینچی حافظه‌های NVMe برای رایانه‌ی شما مناسب نیست. این نسخه به رابط SFF-8639 نیاز داره. این رابط از ۴ مسیر نسل سوم PCIe، به‌همراه ۲ پورت SATA و چند کانال جانبی برخورداره و از درگاه‌های ۳.۳ و ۱۲ ولتی برای تامین انرژی استفاده می‌کنه. در واقع، این رابط فقط برای حافظه‌ها و سیستم‌های رده‌بالا و سازمانی مناسبه.

اهمیت ظرفیت انتخابی

همه‌ی SSDهای NVMe بخشی از حافظه‌شون رو به کش Cash اختصاص میدن. یعنی اگه یک حافظه‌ی SSD یک ترابایتی بخرید و 900 گیگ رو به اون اختصاص بدید، برای حافظه‌ی NAND فضای کم‌تری باقی می‌مونه و عملکرد مناسبی ایجاد نمیشه. بنابراین، وقت تصمیم‌گیری در مورد ظرفیت انتخابی، این نکته رو به‌خاطر داشته باشید. بهترین کار اینه که دو برابر ظرفیت مورد نیازتون خریداری کنید.

حرف آخر

فناوری هارد NVMe یکی از به‌روزترین فناوری‌هاست که باعث بالارفتن سرعت پردازش داده‌ها و ایجاد عملکرد بهینه در رایانه‌ها میشه. از اون‌جا که نیاز شرکت‌ها و کاربران خونگی به‌سرعت خوندن و نوشتن روی دیسک سخت، هر روز افزایش پیدا می‌کنه، همراه شدن با فناوری هارد NVMe امری ضروری به‌نظر میرسه. امیدوارم مطالعه‌ی این مطلب که توسط نت‌ران تهیه شده، برای شما مفید باشه. اگه سوالی هم در این زمینه داشتین، می‌تونین در بخش نظرات مطرح کنین، من و همکارام خیلی زود به اون‌ها پاسخ میدیم.

دانلود فایل PDF مطلب:
دانلود فایل Pdf

سوالات متداول