O NVM Express foi desenvolvido entre 2008 e 2011 para substituir os protocolos SATA (Serial Advanced Technology Attachment) e SAS (Serial Attached SCSI).As melhorias do NVMe em latência e desempenho em relação aos seus concorrentes contribuíram para o desenvolvimento de outras tecnologias importantes, como a Internet das coisas (IoT), inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML).

Hoje, os usuários exigem tempos de resposta mais rápidos do que nunca em suas aplicações. O protocolo NVMe foi criado para proporcionar uma experiência de alto desempenho, alta largura de banda e baixa latência de última geração, independentemente do tipo de aplicação que o usuário estiver implementando.Os SSDs NVMe acessam o armazenamento flash principalmente através de um barramento PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), que elimina o "controlador intermediário", reduzindo a latência. No entanto, os NVMes também podem ser executados em qualquer tipo de interconexão de "malha", como Fibre Channel e Ethernet, e dentro de Ethernet, iWarp, RoCEv2, iSER e NVMe-TCP.

Os SSDs NVMe podem executar dezenas de milhares de filas de comando paralelas e rodar programas em velocidades mais rápidas do que as unidades conectadas usando o protocolo SCSI, que só pode implementar uma fila de comando.O método de conexão é independente do protocolo; por exemplo, o NVMe PCIe pode conectar uma única unidade via um link PCIe rodando o protocolo NVMe.

A NVMe foi desenvolvida para mídia de armazenamento não volátil de alto desempenho, tornando-a ideal para os ambientes exigentes e de uso intenso de computação de hoje, como software de edição gráfica, ambientes de computação em nuvem, firmware e grandes bancos de dados. A NVMe lida com cargas de trabalho empresariais de forma rápida e eficiente, com uma infraestrutura menor e menos consumo de energia que o SCSI.

Enquanto os HDDs eram o método preferido do setor para armazenar e acessar dados, SATA e SAS eram soluções apropriadas. Ambas as tecnologias foram projetadas como interfaces de armazenamento SCSI para facilitar a transferência de dados para e a partir dos HDDs. O SAS conecta uma única unidade via uma porta SAS rodando o protocolo SCSI, que então se conecta a um link PCIe. O SATA conecta uma única unidade via uma porta SATA rodando o protocolo ATA, através de um controlador ATA, que então se conecta a um link PCIe.

Até recentemente, a maioria dos SSDs utilizava SAS ou SATA para se conectar ao restante de um sistema computacional. No entanto, com o aumento da tecnologia de estado sólido em todo o setor de armazenamento, o SAS e o SATA tornaram-se um ajuste menos adequado, pois foram originalmente projetados para HDDs. De acordo com um relatório de 2023 da International Data Corporation (IDC), o NVMe foi projetado para acelerar a transferência de dados para sistemas conectados via PCI express, um barramento de expansão serial padrão para conectar um computador a um ou mais dispositivos periféricos.¹

Além do fato de ter sido projetado especificamente para uso com SSDs, o protocolo NVMe é mais simplificado do que o SCSI, tornando-o uma solução melhor para aplicações em tempo real, como ML e IA. Com a crescente popularidade dos ambientes de computação em nuvem, o NVMe também está bem posicionado para suportar ambientes de armazenamento em nuvem híbrida, multinuvem e mainframe devido ao seu alto desempenho embutido e proteção de dados.

Aqui estão alguns dos benefícios de usar o armazenamento NVMe em unidades SAS ou SATA :

Melhor desempenho: a tecnologia NVMe pode usar um PCIe para conectar o armazenamento SSD diretamente a um servidor ou unidade de processamento central (CPU). Essa melhoria acentuada no desempenho tornou a tecnologia NVMe a opção preferida de armazenamento/transferência de dados para gamers, editores de vídeo e outros usuários que exigem um desempenho maior do que os HDDs SAS ou SATA podem oferecer.

Maior velocidade: as unidades NVMe podem oferecer velocidades superiores às unidades SAS ou SATA, pois conseguem enviar e receber comandos NVMe mais rapidamente, além de proporcionar uma melhor taxa de transferência.

Maior compatibilidade: a NVMe é amplamente considerada uma opção mais compatível do que o SAS/SATA e é frequentemente atualizada à medida que se desenvolve junto com tecnologias tão críticas e em rápida mudança como IA, ML e computação em nuvem. A tecnologia NVMe pode funcionar perfeitamente com todos os sistemas operacionais modernos, incluindo celulares, notebooks e consoles de jogos.

Largura de banda aprimorada: a conexão PCIe é mais ampla e tem mais largura de banda do que as portas SAS ou SATA. Ela também melhora a cada geração, dobrando a largura de banda da geração anterior. SAS e SATA possuem conexões de largura de banda mais baixas e são fixas, o que significa que não melhoram com o tempo. Outro recurso que distingue as conexões PCIe é que elas são escaláveis em "pistas" e, portanto, mesmo na mesma geração, os usuários podem dobrar a largura de banda com o dobro do número de faixas.

Para uma análise detalhada sobre NVMe e SATA, confira "NVMe versus SATA: qual é a diferença?"

Até o advento dos SSDs e do armazenamento em flash, o SATA era usado em todos os sistemas de armazenamento HDD. No entanto, à medida que aplicativos móveis, videogames e novas tecnologias como a IA aumentaram as demandas nos ambientes de computação, as limitações do SATA tornaram-se evidentes. Especificamente, a baixa velocidade e largura de banda do SATA começaram a desacelerar grandes transferências de dados, essenciais para o funcionamento de novas aplicações.

O NVMe foi inventado como uma melhor opção de armazenamento/transferência de dados em relação ao SATA para SSDs, em ambientes onde grandes transferências de dados eram necessárias sem desacelerar os tempos de processamento.O NVMe permite que os SSDs se conectem diretamente à CPU por meio do barramento PCIe e de um adaptador M.2 ou U.2, assim como acontece com um drive SATA.O NVMe permite que os SSDs se conectem diretamente à CPU e leiam e escrevam grandes volumes de dados rapidamente.

Para obter maior desempenho, a NVMe define uma interface de registro, conjunto de comandos e grupo de recursos para SSDs baseados em PCIe. Uma vez conectado através do barramento PCIe  o protocolo NVMe facilita a latência mais baixa e ajuda a otimizar as operações de E/S por segundo (IOPS).

Os drivers NVMe suportam diversos tipos de sistemas operacionais (SO), incluindo Windows, Linux e MacOS. Além disso, o protocolo NVMe suporta todos os tipos de memória não volátil (NVM), incluindo SSDs com flash NAND.Finalmente, o NVMe usa filas de comandos paralelas e um "polling loop" em vez de depender de interrupções dos drivers de dispositivos usados anteriormente, o que reduz a latência e as sobrecargas do sistema, ajudando a evitar gargalos na CPU, como quando uma placa gráfica trabalha mais rápido do que a CPU subjacente.

Fatores de forma de SSDs NVMe

Outro diferencial importante das especificações da NVMe é seu fator de forma, ou a forma como o tamanho, a configuração e o design físico afetam sua compatibilidade com outros dispositivos. Recentemente, a Storage Networking Industry Association (SNIA) se reuniu para estabelecer o Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF), para criar uma estrutura acordada em todo o setor para a tecnologia SSD .

O formato padrão acordado para um SSD era de 2,5 polegadas, que se encaixa facilmente no compartimento de disco da maioria dos notebooks e desktops, tornando os SSDs NVMe altamente compatíveis com a tecnologia existente. Como o drive de 2,5 polegadas é amplamente utilizado em ambientes de computação de consumidores e comerciais, substituir um HDD por um NVMe SSD é simples e direto para usuários que desejam atualizar o desempenho de seus sistemas.

Unidades M.2 NVMe

Os SSDs M.2 são outro fator de forma física ou conector usado nos SSDs. Embora o termo seja frequentemente usado de forma intercambiável com NVMe, eles são tecnologias de armazenamento diferentes. Enquanto os SSDs NVMe se conectam a um slot PCIe em uma placa-mãe, proporcionando taxas de transferência de dados muito mais altas que seus concorrentes, os drives M.2 são um fator de forma física ou conector que permite armazenamento de alto desempenho em dispositivos pequenos e com restrições de energia, como notebooks ultrafinos e tablets.

NVMe e memória dinâmica de acesso aleatório

A memória de acesso aleatório dinâmico (DRAM) é um tipo amplamente utilizado de memória RAM, presente em computadores pessoais (PCs), servidores e estações de trabalho.Os SSDs NVMe estão disponíveis em versões com e sem DRAM.Os SSDs NVMe com DRAM são mais caros e rápidos do que os sem DRAM, sendo uma melhor opção para aplicações que exigem intensivamente gráficos, como software de edição de fotos ou vídeos.SSDs NVMe sem DRAM são mais acessíveis e mais lentos, mas ainda muito mais rápidos do que HDDs ou SSDs SATA, tornando-os boas opções para usuários que não precisam de tanta velocidade ou desempenho para as aplicações que utilizam.