NVMe (memoria exprés no volátil) es un protocolo para la transferencia de datos altamente paralela con gastos generales del sistema reducidos por entrada/salida (E/S) que se utiliza en almacenamiento flash y unidades de estado sólido (SSD). Las SSD NVMe son capaces de ofrecer tiempos de respuesta más rápidos que las unidades de disco duro (HDD) tradicionales debido a los cambios en el controlador del dispositivo que permiten el paralelismo y el sondeo. Estas mejoras ayudan a reducir la latencia y las hacen ideales para cargas de trabajo empresariales, así como para numerosas aplicaciones profesionales y de consumo.
Las unidades de estado sólido (SSD) son dispositivos de almacenamiento basados en semiconductores que dependen de la memoria flash para almacenar datos persistentes en sistemas informáticos. En una SSD, cada chip de memoria se construye a partir de bloques que contienen celdas de memoria (también conocidas como páginas o sectores) que contienen bits de memoria. A diferencia del almacenamiento magnético, como los discos duros y las disqueteras, que almacenan los datos mediante imanes, las unidades de estado sólido utilizan chips NAND, una tecnología de almacenamiento no volátil que no necesita energía para mantener sus datos.
Mientras que los discos duros tienen una latencia y un tiempo de acceso inherentes causados por el giro de sus platos y el movimiento de sus cabezales de lectura/escritura, las unidades SSD no tienen partes móviles, lo que las hace mucho más rápidas. Actualmente, las SSD superan las unidades de disco duro como el estándar preferido de la industria para cargas de trabajo de datos estructurados. (1)
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NVM express se desarrolló entre 2008 y 2011 para sustituir a los protocolos Serial Advanced Technology Attachment (SATA) y Serial Attached SCSI (SAS). Las mejoras de NVMe en latencia y rendimiento respecto a sus competidores contribuyeron al desarrollo de otras tecnologías importantes, como el Internet de las cosas (IoT),la inteligencia artificial (IA) y el machine learning (ML).
Hoy en día, los usuarios exigen a sus aplicaciones tiempos de respuesta más rápidos que nunca. El protocolo NVMe se creó para ofrecer una experiencia de próxima generación, alto rendimiento, gran ancho de banda y baja latencia, independientemente del tipo de aplicación que implemente un usuario. Las SSD NVMe acceden al almacenamiento flash principalmente a través de un bus PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) que elimina el controlador "intermediario", reduciendo la latencia. Sin embargo, las unidades NVMe también pueden funcionar en cualquier tipo de interconexión de "tejido", como Fibre Channel y Ethernet, y dentro de Ethernet, iWarp, RoCEv2, iSER y NVMe-TCP.
Los SSD NVMe pueden ejecutar decenas de miles de colas de comandos paralelas y ejecutar programas a velocidades más rápidas que las unidades conectadas mediante el protocolo SCSI, que solo puede implementar una única cola de comandos. El método de conexión es independiente del protocolo; por ejemplo, NVMe PCIe puede conectar una sola unidad a través de un vínculo PCIe que ejecute el protocolo NVMe.
NVMe se creó para medios de almacenamiento no volátil de alto rendimiento, por lo que resulta ideal para los entornos actuales más exigentes y con mayor carga computacional, como el software de edición gráfica, los entornos de computación en nube, el firmware y las grandes bases de datos. NVMe se ocupa de las cargas de trabajo empresariales de forma rápida y eficiente con una huella de infraestructura más pequeña y menos energía que SCSI.
Mientras que los discos duros (HDD) eran el método preferido por la industria para almacenar y acceder a los datos, SATA y SAS eran las soluciones adecuadas. Ambas tecnologías se diseñaron como interfaces de almacenamiento SCSI para facilitar la transferencia de datos desde y hacia HDD. SAS conecta una sola unidad a través de un puerto SAS que ejecuta el protocolo SCSI que luego se conecta a un enlace PCIe. SATA conecta una sola unidad a través de un puerto SATA que ejecuta el protocolo ATA a través de un controlador ATA que luego se conecta a un enlace PCIe.
Hasta hace poco, la mayoría de las unidades SSD utilizaban SAS o SATA para conectarse con el resto del sistema informático. Sin embargo, con el auge de la tecnología de estado sólido en el sector del almacenamiento, SAS y SATA se convirtieron en una solución cada vez más incómoda, ya que habían sido diseñados para su uso con discos duros. Según un informe de 2023 de International Data Corporation (IDC), NVMe se diseñó para acelerar la transferencia de datos a sistemas conectados a través de un PCI express, un bus de expansión en serie que es estándar para conectar un ordenador a uno o más dispositivos periféricos. (2)
Además del hecho de que fue diseñado específicamente para su uso con SSD, el protocolo de NVMe es más optimizado que SCSI, lo que lo convierte en una mejor solución para aplicaciones en tiempo real, como ML e IA. Con la creciente popularidad de los entornos de cloud computing, NVMe también está bien posicionado para admitir entornos de nube híbrida, multinube y almacenamiento mainframe debido a su alto rendimiento y protección de datos integrados.
Estos son algunos de los beneficios de utilizar el almacenamiento NVMe en unidades SAS o SATA:
Mejor rendimiento: la tecnología NVMe puede utilizar una PCIe para conectar el almacenamiento SSD directamente a un servidor o unidad central de procesamiento (CPU). Esta notable mejora en el rendimiento ha convertido a la tecnología NVMe en la opción preferida de almacenamiento/transferencia de datos para jugadores, editores de vídeo y otros usuarios que requieren un rendimiento superior al que pueden ofrecer los discos duros SAS o SATA.
Mayor velocidad: las unidades NVMe pueden ofrecer velocidades mucho más altas que las unidades SAS o SATA porque pueden enviar y recibir comandos NVMe más rápido y proporcionan un mayor rendimiento.
Mayor compatibilidad: NVMe se considera ampliamente una opción más compatible que SAS/SATA y se actualiza frecuentemente a medida que se desarrolla junto con tecnologías tan críticas y rápidas como la IA, el machine learning y el cloud computing. La tecnología NVMe es capaz de funcionar a la perfección con todos los sistemas operativos modernos, incluidos teléfonos móviles, ordenadores portátiles y consolas.
Ancho de banda mejorado: la conexión PCIe es mucho más amplia y tiene más ancho de banda que los puertos SAS o SATA. También mejora con cada generación, duplicando el ancho de banda de la generación anterior. SAS y SATA tienen conexiones de ancho de banda mucho más bajas y son fijas, por lo que no mejoran con el tiempo. Otra característica que distingue a las conexiones PCIe es que son escalables en áreas, por lo que, incluso en la misma generación, los usuarios pueden duplicar el ancho de banda con el doble de áreas.
Para profundizar en NVMe y SATA, consulte "NVMe vs. SATA: ¿Cuál es la diferencia?
Hasta la llegada de las SSD y el almacenamiento flash, SATA se utilizó con todos los sistemas de almacenamiento HDD. Sin embargo, a medida que las aplicaciones móviles, los videojuegos y las nuevas tecnologías como la IA aumentaron las demandas en los entornos informáticos, las limitaciones de SATA se hicieron evidentes. Específicamente, la baja velocidad y el ancho de banda de SATA empezaron a ralentizar las transferencias de grandes cantidades de datos que eran clave para la funcionalidad de las nuevas aplicaciones.
NVMe se inventó como una mejor opción de almacenamiento/transferencia de datos que SATA para SSD en entornos donde se necesitaban grandes transferencias de datos sin ralentizar los tiempos de procesamiento. NVMe permite que las SSD se conecten directamente a la CPU mediante el bus PCIe y un adaptador M.2 o U.2, al igual que con una unidad SATA. NVMe permite que los SSD se conecten directamente a la CPU y lean y escriban grandes volúmenes de datos rápidamente.
Para lograr un mayor rendimiento, NVMe define una interfaz de registro, un conjunto de comandos y un grupo de entidades para SSD basados en PCI. Una vez conectado a través del bus PCIe, el protocolo NVMe facilita una menor latencia y ayuda a optimizar las operaciones de E/S por segundo (IOPS).
Los controladores NVMe son compatibles con muchos tipos de sistemas operativos (SO) populares, incluidos Windows, Linux y MacOS. Además, el protocolo NVMe es compatible con todo tipo de NVM, incluidos los SSD con flash NAND. Por último, NVMe utiliza colas de comandos paralelas y un "bucle de sondeo" en lugar del controlador de dispositivo basado en "interrupciones" de sus predecesores, lo que reduce la latencia y los gastos generales del sistema y ayuda a evitar cuellos de botella en la CPU, como cuando una tarjeta gráfica funciona más rápido que la CPU subyacente.
Factores de forma de SSD NVMe
Otro diferenciador importante de las especificaciones NVMe es su factor de forma, o la forma en que el tamaño, la configuración y el diseño físico afectan su compatibilidad con otros dispositivos. Recientemente, la Asociación de la Industria de Redes de Almacenamiento (SNIA) se reunió para establecer el factor de forma estándar para centros de datos y empresas (EDSFF) a fin de crear un marco acordado en toda la industria para la tecnología SSD.
El factor de forma estándar acordado para una SSD era de 2,5 pulgadas, que cabe fácilmente en el compartimento de unidades de la mayoría de portátiles y equipos de escritorio, lo que hace que las SSD NVMe sean altamente compatibles con la tecnología existente. Dado que la unidad de 2,5 pulgadas se utiliza ampliamente tanto en entornos informáticos de consumo como comerciales, reemplazar un disco duro por un NVMeSDD es sencillo para los usuarios que desean actualizar el rendimiento de su sistema.
Unidades NVMe m.2
Los SSD M.2 son otro factor de forma física o conector utilizado en SSD. Aunque el término se suele utilizar indistintamente con NVMe, son diferentes tipos de tecnología de almacenamiento. Mientras que las SSD NVMe se conectan a una ranura PCI en una placa base, lo que les brinda velocidades de transferencia de datos mucho más altas que sus competidores, las unidades m.2 son un factor de forma físico, o conector, que permite el almacenamiento de alto rendimiento en dispositivos pequeños y con limitaciones de energía, como tablets y ordenadores portátiles ultrafinos.
NVMe y memoria dinámica de acceso aleatorio
La memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) es un tipo de memoria de acceso aleatorio (RAM) ampliamente utilizada en la que confían los ordenadores personales (PC), los servidores y las estaciones de trabajo. Los SSD NVMe vienen en dos variedades: con DRAM y sin DRAM. Los SSD NVMe con DRAM son más caros y rápidos que los sin DRAM, y son una mejor opción para aplicaciones que requieren muchos gráficos, como software de edición de fotos o vídeo. Los NVMesin DRAM son más asequibles y más lentos, pero aún así mucho más rápidos que los HDD o los SSD SATA, lo que los convierte en buenas opciones para los usuarios que no necesitan tanta velocidad o rendimiento para las aplicaciones que ejecutan.
Los requisitos de baja latencia y bajo consumo de energía de NVMe y su capacidad para almacenar y transferir datos a un ritmo mucho más rápido que las unidades SAS y SATA lo convierten en una opción popular tanto para usos empresariales como de consumo. Además de aumentar el rendimiento y la capacidad de almacenamiento de datos, las SSD NVMe están más disponibles que las SSD SAS o SATA y se pueden comprar en empresas de consumo acreditadas como Intel y Samsung. Estos son algunos casos de uso comunes de NVMe:
La velocidad, la capacidad de programación y la capacidad de NVMe para manejar el procesamiento paralelo lo hacen ideal para una amplia gama de aplicaciones informáticas de alto rendimiento, incluidas las operaciones financieras de alta frecuencia, la IA y el ML.
Muchas aplicaciones de vanguardia requieren una gran profundidad de cola para el almacenamiento. A diferencia de sus predecesoras SAS/SATA, NVMe puede contener hasta 65 mil colas y comandos por cola, lo que permite ejecutar miles de comandos más.
Las SSD NVMe ayudan a los centros de datos a ampliar su capacidad de almacenamiento de datos y ofrecen un mayor rendimiento a un precio comparable a los SSD SATA, lo que lleva a muchas empresas modernas a hacer el cambio. Según un informe de Enterprise Strategy Group, casi tres cuartas partes de las organizaciones están utilizando almacenamiento SSD basado en NVMe o planean implementarlo en los próximos 12 meses. (3)
Tanto si está editando un vídeo de su reunión familiar como si está trabajando en un largometraje de animación, las rápidas tasas de transferencia de datos de NVMe agilizan enormemente la edición de vídeo. En pocas palabras, editar y renderizar una escena en un software de edición de vídeo genera una gran cantidad de datos. Una SSD NVMe puede gestionar todos estos datos sin ralentizar el proceso.
La implementación de NVMe en aplicaciones DevOps contenerizadas ha acortado el tiempo de grandes compilaciones e iteraciones de codificación generadas para muchos desarrolladores. NVMe también está haciendo que el desarrollo sea más rápido y menos costoso y ayudando a los equipos a lanzarse más rápido con una gama más amplia de herramientas a su disposición.
Los sistemas de memoria flash NVMe aceleran el rendimiento de las aplicaciones y reducen el número de servidores físicos necesarios en las bases de datos relacionales. Esto les permite funcionar más rápido que con los discos duros tradicionales, lo que permite a las organizaciones que los operan ejecutar sus consultas mucho más rápido.
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Notas a pie de página
1 "Capacidades críticas para cabinas de estado sólido", (enlace externo a IBM), Gartner, 2020 de diciembre de
2 "Taxonomía de sistemas de almacenamiento empresarial mundial de IDC, 2023" (enlace externo a IBM), varios autores, abril de 2023
3 "Informe de investigación de ESG: Tendencias de infraestructura de datos" (enlace externo a IBM), Enterprise Strategy Group, 15 de noviembre de 2021