NVMe (Non-volatile Memory Express), a tecnologia para performance em SSD

O que é NVMe?

NVMe (Non-Volatile Memory Express) é um protocolo que estabelece a comunicação entre computadores e servidores com memórias flash (SSD) via um conector PCI Express. O NVM Express também é o nome de um consórcio formado por empresas que são os responsáveis por essa tecnologia.

Como surgiu o NVMe?

A especificação NVMe foi desenvolvida para estabelecer comunicação entre computadores, servidores e storages com as memórias flash (SSD) de forma mais efetiva que através de portas baseadas em padrões mais antigos como a serial ATA (SATA).

Os conectores SATA ou SAS estão presentes em nossos computadores pessoais, servidores e sistemas de armazenamento. Essas portas são as responsáveis pela conexão de dispositivos como hard disks e memórias SSD com o sistema.

O problema é que esses padrões foram desenvolvidos anos atrás, quando as memórias SSD de alto desempenho ainda não estavam disponíveis para o uso corporativo. Com o desenvolvimento do mercado de memórias, o NVMe ganhou força, principalmente devido seu alto desempenho, baixa latência e escalabilidade.

Onde o padrão NVMe é mais utilizado?

Servidores corporativos e sistemas de armazenamento de alta performance (All Flash Array) são os principais beneficiados pelo surgimento dessa tecnologia.

Empresas como Dell, Cisco, Intel, HP, Seagate e Samsung são alguns dos participantes desse consórcio responsável pelo desenvolvimento e promoção desse padrão.

O protocolo NVMe é o padrão responsável pela conexão das memórias SSDs de diversos formatos (U.2, M.2, AIC e EDSFF) via barramento PCIe a servidores e storages.

Essa conexão entrega um desempenho muito mais rápido que memórias SSD que utilizam conexão SATA ou SAS, porém a um preço que usuários finais ainda não podem pagar.

Quem são os principais usuários do padrão NVMe?

Empresas de tecnologia como Qnap, Synology, Huawei, IBM, Infortrend e HP tem em seus portfólios servidores e sistemas de armazenamento baseados em memória SSD que fazem uso do NVMe.

Além disso, grandes empresas como Facebook, Google, Microsoft, Samsung e Amazon usam esses sistemas de armazenamento equipados com memórias dessa tecnologia para prover serviços de alta velocidade a milhões de usuários todos os dias.

A tecnologia NVMe é um participante essencial na infraestrutura de armazenamento atual de grandes datacenters, porém um storage all flash que usa a tecnologia NVMe ainda é inacessível para a maioria das pequenas empresas.

As memórias SSD de conexão SATA que equipam nossos storages domésticos em breve perderão espaço para memórias dessa tecnologia, que são menores, mais velozes e confiáveis.

Qual a diferença entre o barramento PCIe e a tecnologia NVMe?

Muitos usuários enxergam a tecnologia NVMe como se ela fosse um tipo de hardware, como é o conector PCIe.

Alguns fabricantes de memória até sinalizam seus SSD como “sendo do tipo NVMe”. Porém o NVMe é um conjunto de normas de fabricação de hardware e software que utiliza o barramento PCI Express para fazer comunicação entre a memória com seu host.

Em outras palavras, embora o barramento PCIe e o padrão NVMe estejam intimamente relacionados, os termos referem-se a tecnologias ligeiramente diferentes.

Uma boa forma de enxergar a situação é classificar o slot PCIe como a porta física que conecta um SSD NVMe ao servidor ou sistema de armazenamento.

Por que hard disks não podem usar o NVMe?

Como diz o nome, NVMe é Non-volatile Memory Express, ou seja, uma maneira para tirar melhor proveito da performance de memórias não voláteis.

Computadores, servidores e sistemas de armazenamento baseados em hard disk só podem ler ou gravar um dado de cada vez.

Por tratar-se de um conjunto eletromecânico composto por cabeças de leitura móveis e pratos giratórios, o sistema tem que deslocar-se para o local físico correto toda vez que escreve alguma informação.

As memórias flash NAND e outras tecnologias de memória não voláteis, por outro lado, não possuem partes móveis. Isso significa que o sistema é livre para ler dados de vários locais diferentes ao mesmo tempo.

E é por isso que os SSDs podem tirar proveito do paralelismo oferecido pelo NVMe, mas os HDDs não.

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A chegada do NVMe vai acabar com as memórias SSD SATA que conhecemos?

Para a maioria dos consumidores, as memórias SSDs SATA ainda são recém chegadas para o mercado consumidor doméstico e oferecem um bom desempenho para a maioria das tarefas rotineiras.

Como as empresas de semi-condutores investiram bilhões de dólares para entregar esses SSD SATA para computadores pessoais, nada indica que esse tipo de memória deixe de existir no curto prazo.

Além disso, sistemas baseados em SSD ou hard disks SATA ainda custam uma fração do preço que seus pares mais modernos e entregam muito mais capacidade de armazenamento por um custo menor.

Obviamente empresas que possuem datacenters para prestar serviço para milhões de usuários simultaneamente e tem como gargalo a baixa performance dos hard disks (e de sistemas baseados em SSD SATA), nem sempre podem esperar para adotar um storage All Flash baseado em NVMe.

Como redes SAN se beneficiam do NVMe?

O NVMe oferece um meio mais eficiente e rápido de mover dados através do sistema do que o barramento SATA ou SAS, daí o seu uso nos servidores e storages mais modernos.

Além disso, por reduzir significativamente os comandos de I/O mapeados na memória, a tecnologia NVMe entrega maior desempenho e menor latência que SSDs sem esse recurso, melhorando ainda mais a performance de sistemas operacionais corporativos.

Além disso, o consórcio NVMe também possui em suas especificações padrões como o NVMe-oF (NVMe over Fabrics), que permite usar comandos NVMe em uma malha de rede (SAN ou internet) e o NVMe-MI (NVMe Management Interface), para organizar o gerenciamento dos SSDs em servidores e sistemas de armazenamento.

Cerca de 90% da especificação técnica NVME-oF é igual à especificação NVMe. No entanto, o NVMe-oF usa um mecanismo diferente de mapeamento de transporte para redes SAN.

Há também duas variações diferentes de NVME-oF: uma para RDMA e outra para Fibre Channel. Todas essas especificações são relativamente novas, por isso apenas poucos fabricantes já estão disponibilizando esse tipo de tecnologia em seus equipamentos.

O que difere um storage SSD de um sistema all flash NVMe?

Até algum tempo atrás, sistemas de armazenamento SATA ou SAS recheados por memórias SSD eram tratados como soluções totalmente flash.

Como explicado acima, sistemas all flash foram concebidos nativamente para usar memórias flash, pois controladores baseados na tecnologia NVMe aceleram o desempenho de várias maneiras diferentes.

A primeira delas é utilizar diretamente o barramento PCIe, que conecta o armazenamento diretamente à CPU do sistema. Essa conexão direta elimina algumas das etapas necessárias com o SATA e aumenta o desempenho geral.

Além disso, os SSDs NVMe implementam o paralelismo em grande escala (lembra da escrita e leitura mecânica?) para melhorar drasticamente o rendimento dos sistemas baseados em memória.

Em qualquer sistema, à medida que os dados são transferidos do armazenamento para um servidor (host), eles entram em uma linha ou fila de chegada.

As conexões SATA (baseadas no padrão AHCI) podem suportar apenas uma fila e apenas 32 partes de dados podem ser alinhadas por vez, enquanto o armazenamento NVMe suporta até 65.535 filas com 65.535 entradas simultâneas.

Sistemas híbridos de armazenamento sofrem com essa limitação?

Os sistemas baseados em hard disks e memórias conhecidos como hybrid storages array possuem alguns recursos para evitar a comunicação do armazenamento (SATA/SAS) com a CPU do sistema, ganhando em performance e entregando dados mais rápido que disk storages.

Recursos como o armazenamento em camadas (tiering) e a criação de cache para dados mais acessados ficarem sempre disponíveis em memória são alguns artifícios inteligentes que ajudam a melhorar a performance de sistemas como servidores e storages mais baratos.

Qual o futuro dos sistemas de armazenamento de dados?

Como em qualquer outro mercado, os sistemas de armazenamento de dados têm ganhado novos players e evoluído para entregar melhores serviços a custos cada vez mais competitivo.

Disk storages já tiveram seu fim decretado inúmeras vezes, porém continuam entregando maior capacidade por preços cada vez mais competitivos.

Traga seu projeto e tire suas dúvidas, somos especialistas em sistemas de armazenamento NVMe e distribuidor autorizado Seagate, Western Digital, Infortrend, Qnap e Synology.