NVMe vs SATA: qual è la differenza?

Oggi, dai gamer ai video editor, ai dirigenti delle start-up di software che lanciano app sul cloud, tutti richiedono soluzioni più rapide di data storage. Il motivo è semplice: migliori tecnologie di storage significano ambienti di elaborazione più rapidi e prestazioni più elevate. Per i gamer, questo significa meno ritardi; per gli editor, rendering video più brevi; e per le aziende, esecuzione rapida e senza interruzioni di workload nel cloud.

Purtroppo, scegliere la soluzione giusta può essere difficile. Termini sconosciuti, specifiche tecniche complesse e un numero apparentemente infinito di opzioni potenziali confondono le acque. Per restringere il campo e aiutare gli utenti a trovare la soluzione giusta per le loro esigenze, stiamo esaminando due delle tecnologie di data storage più popolari disponibili: NVMe e SATA.

• NVMe (non-volatile memory express) è un protocollo per il trasferimento di dati altamente parallelo con sovraccarichi di sistema ridotti per input/output (I/O) utilizzato nel flash storage e nelle unità SSD (solid-state drive).
• SATA (Serial Advanced Technology Attachment) è un protocollo che prescrive come i dati vengono spostati tra un computer e un dispositivo di storage, ad esempio un hard disk (HDD).

Entrambi i protocolli NVMe e SATA supportano le unità SSD, una tecnologia che ha sostituito nell'ultimo decennio gli HDD come standard di settore per le applicazioni consumer e professionali e i workload aziendali. A differenza degli HDD, che hanno latenza e tempo di accesso intrinseci, gli SSD si basano sulla memoria flash e non hanno parti mobili, il che li rende molto più veloci.

Le SSD sono dispositivi di storage basati su semiconduttori che si affidano alla memoria flash per archiviare dati persistenti nei sistemi informatici. A differenza dello storage magnetico (come HDD e floppy drive) che memorizzano i dati utilizzando magneti, le unità di storage a stato solido utilizzano chip NAND, una tecnologia di storage non volatile che non richiede una fonte di alimentazione per la conservazione dei dati. Secondo un recente report Gartner (link esterno a ibm.com), le unità SSD attualmente stanno superando le HDD come standard di settore preferito per i workload di dati strutturati.

NVMe (non-volatile memory express) è un protocollo di trasporto e accesso di storage dei dati per le SSD che garantisce un maggiore throughput e tempi di risposta più rapidi rispetto alla concorrenza. È stato progettato per supporti di storage non volatili ad alte prestazioni, il che lo rende una soluzione eccellente per gli ambienti di elaborazione più esigenti di oggi.

NVMe può implementare workload aziendali con un'impronta infrastrutturale ridotta e meno energia rispetto alla Small Computer System Interface (SCSI) ampiamente utilizzata. Le unità NVMe possono offrire tempi di risposta migliori rispetto agli HDD grazie ai miglioramenti apportati al driver del dispositivo, consentendo così il parallelismo e il polling e contribuendo a ridurre la latenza per evitare colli di bottiglia della CPU.

La tecnologia di storage NVMe è stata progettata per sostituire i protocolli Serial Advanced Technology Attachment (SATA) e Serial Attached SCSI (SAS) che erano gli standard del settore fino all'introduzione di NVMe nel 2011. Oltre al miglioramento della capacità di data storage e della tecnologia di trasferimento, NVMe ha contribuito allo sviluppo anche di altre importanti tecnologie sviluppate nello stesso tempo, tra cui l'Internet of Things (IoT), l' AI (intelligenza artificiale) e l'apprendimento automatico (ML).

Bus PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)

Una delle differenze più importanti tra le SSD NVMe e le SSD SATA è che le SSD NVME utilizzano un bus PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) per accedere al flash storage. Questa funzione consente a una SSD NVMe di eliminare il controller "intermediario", contribuendo a ridurre la latenza. Tuttavia, gli NVME possono funzionare anche su qualsiasi tipo di interconnessione "fabric", come Fibre Channel ed Ethernet, e all'interno di Ethernet, iWARP, ROCEv2, iSER e NVMe-TCP.

Code di comandi parallele

A differenza delle unità che utilizzano il protocollo SCSI, che può implementare una sola singola coda di comando, le SSD NVMe possono eseguire decine di migliaia di code di comando parallele contemporaneamente. Nel caso di SSD NVMe, il metodo di connessione è indipendente dal protocollo; ad esempio, il connettore NVMe PCIe può accedere a un'unità singola attraverso un collegamento PCIe che esegue il protocollo NVMe.

Unità NVMe m.2

Le unità SSD M.2 sono un connettore o un fattore di forma utilizzato nelle SSD. Anche se il termine viene spesso utilizzato in modo intercambiabile con NVMe, si tratta di tipi differenti di tecnologie di storage. Mentre NVMe si collega a uno slot PCIe di una scheda madre, aumentandone le velocità di trasferimento dati, gli SSD M.2 NVMe sono un fattore di forma fisico che consente lo storage ad alte prestazioni in dispositivi piccoli e con limiti di potenza, come laptop e tablet ultrasottili.

Nell'ultimo decennio e mezzo, SATA (Serial Advanced Technology Attachment) è stata l'interfaccia più diffusa per lo spostamento dei dati tra il circuito stampato di un computer e un dispositivo di storage interno o esterno. Fino a poco tempo fa, quasi tutti i desktop e laptop contenevano hardware compatibile con SATA. Tuttavia, con la crescente popolarità delle unità SSD e lo sviluppo della tecnologia NVMe progettata appositamente, la popolarità di SATA ha iniziato a diminuire negli ultimi anni.

SATA è stata rilasciata nel 2003 come miglioramento del Parallel Advanced Technology Attachment (PATA), uno standard di settore per floppy disk interni, HDD e unità disco ottico. Quando le specifiche del protocollo SATA sono state pubblicate per la prima volta nel 2003, è apparso subito evidente che presentava diversi vantaggi chiave rispetto alle interfacce PATA, tra cui:

• Velocità di trasferimento dati più elevate consentono tempi di caricamento di programmi e documenti ridotti e una migliore qualità delle immagini.
• Le opzioni di cavi più compatti consentono un instradamento più semplice dei cavi e una migliore ventilazione del computer.
• I collegamenti a bassa tensione aiutano a ridurre la distorsione e le interferenze.
• Segnalazione differenziale per il trasferimento ad alta velocità dei dati con un minor consumo energetico.

Uno dei vantaggi che SATA detiene ancora rispetto a NVMe, tuttavia, è la sua compatibilità con l'hardware più datato. Gli HDD e le SSD SATA sono collegati alla scheda madre attraverso un controller hardware. Nella sua configurazione più semplice (modalità IDE), il disco rigido collegato può essere riconosciuto come dispositivo PATA. Questo consente una maggiore compatibilità con i sistemi meno recenti, ma con un calo delle prestazioni quando l'unità SATA è in modalità IDE.

Se la compatibilità con un dispositivo più datato non costituisce un requisito, gli utenti possono impostare un controller SATA sulla modalità Advanced Host Controller Interface (AHCI) per ottenere prestazioni migliori. La modalità AHCI può anche supportare interfacce esterne e la sostituzione a caldo delle unità, ovvero la rimozione e il collegamento delle unità senza spegnimento.

Un'altra modalità SATA: la modalità Redundant Array of Independent Disks (RAID) offre un ulteriore livello di protezione dei dati garantendo agli utenti la possibilità di memorizzare copie degli stessi dati in posizioni diverse, ad esempio più HDD o SSD.

SATA esterna

La tecnologia SATA esterna (eSATA) è un'altra importante funzione della tecnologia SATA, che fornisce il supporto per le unità esterne attraverso zone plug-in specifiche chiamate porte. eSATA è più veloce dei suoi concorrenti e compatibile con numerose tecnologie di unità disco esistenti, come HDD, unità floppy, unità rimovibili, Blu-ray, CD-ROM e DVD. Esistono numerosi usi comuni per le unità eSATA, tra cui l'editing video e audio e il backup dei dati.

In un semplice confronto diretto in cui vengono prese in considerazione solo la velocità e le prestazioni, il protocollo NVMe è di gran lunga superiore alla SATA. Mentre SATA è stata progettata come interfaccia di storage SCSI per facilitare il trasferimento di dati da e verso HDD, NVMe è stato progettato specificamente per l'uso con SSD che utilizzano la tecnologia flash.

Secondo un rapporto IDC (International Data Corporation) del 2023 (link esterno a ibm.com), NVMe è stato progettato per velocizzare il trasferimento dei dati ai sistemi collegati tramite PCI Express (PCIe), un bus di espansione seriale standard per il collegamento di un computer a una o più periferiche.

A causa delle relative differenze di progettazione, NVMe risulta meglio attrezzato per utilizzare socket PCIe e trasferire dati tra storage e CPU rispetto a SATA. Quando gli HDD rappresentavano ancora lo standard del settore per la memorizzazione e l'accesso ai dati, SATA aveva un senso, ma quando le SSD hanno iniziato a diventare più popolari, NVMe è diventato rapidamente un'opzione migliore per la maggior parte degli utenti. Inoltre, il protocollo semplificato di NVMe lo rende più adatto rispetto a SATA per applicazioni in tempo reale come l'apprendimento automatico (ML) e l'AI, che sono diventate popolari negli ultimi anni. NVMe è inoltre ben posizionato per supportare ambienti di storage hybrid cloud, multicloud e mainframe grazie alle sue elevate prestazioni integrate e alla protezione dei dati.

Tuttavia, esistono ancora alcuni casi in cui SATA ha senso per alcuni utenti. Ad esempio, SATA è ancora più conveniente di NVMe, anche se la popolarità delle SSD NVMe sta facendo scendere il prezzo. Ecco un confronto tra le due tecnologie in base alle funzionalità.

Velocità e prestazioni

Le SSD NVMe possono offrire velocità e prestazioni molto più elevate rispetto alle SSD SATA perché possono inviare e ricevere comandi NVMe più velocemente e garantire un maggiore throughput. Mentre le SSD NVMe utilizzano PCIe per collegare lo storage SSD direttamente a un server o a un'unità di elaborazione centrale (CPU), le SSD SATA utilizzano l'interfaccia bus Serial ATA Express, che invece è più lenta.

Larghezza di banda

La connessione PCIe che NVMe utilizza è più grande e ha una maggiore larghezza di banda rispetto a una porta SATA. Inoltre, ogni generazione di PCIe raddoppia la larghezza di banda della generazione precedente. SATA, d'altra parte, ha connessioni di larghezza di banda inferiore rispetto a PCIe ed è fissa, quindi le connessioni non migliorano con le generazioni successive. Le connessioni PCIe sono anche più scalabili rispetto a quelle SATA, perché utilizzano "corsie" che consentono agli utenti di raddoppiare la larghezza di banda nella stessa generazione.

Parallelismo

Una delle funzioni più importanti di NVMe è la capacità di eseguire operazioni contemporanee su più thread, nota come parallelismo. Le SSD NVMe hanno una profondità di coda di 64.000, mentre SATA può supportare solo 32 richieste di I/O in una coda in qualsiasi momento. NVMe utilizza code di comandi parallele e un "polling loop" piuttosto che il driver del dispositivo basato su "interruzione" dei suoi predecessori, riducendo la latenza e i costi generali del sistema.

Compatibilità

Quando si tratta di tecnologie più recenti, come l'AI, l'apprendimento automatico (ML) e il cloud, NVMe è un'opzione molto più compatibile rispetto a SATA in quanto è stata sviluppata in parallelo a tali tecnologie nello stesso periodo di tempo. La tecnologia NVMe può funzionare senza problemi con tutti i sistemi operativi moderni, compresi i telefoni cellulari, i laptop e le console di gioco. Tuttavia, quando si tratta di compatibilità con le tecnologie più datate (come gli HDD), numerosi dispositivi meno recenti che supportano SATA non sono compatibili con NVMe perché non dispongono delle connessioni necessarie per le prese PCIe NVMe.

Costo

Sebbene sia NVMe sia SATA siano diventati più convenienti negli ultimi anni, le SSD SATA sono ancora un po' più convenienti. Ad esempio, un'unità SATA Samsung da 2,5 pollici da 1 TB costa poco più di 100 dollari, mentre il suo equivalente NVMe ne costa circa 170 dollari (al momento della scrittura di questo articolo). I prezzi degli SSD di livello aziendale variano ancora di più e spesso ammontano a migliaia di dollari. Mentre NVMe è diventato lo standard del settore per i workload aziendali, le SSD SATA sono ancora ampiamente utilizzati sui PC invece degli HDD in quanto sono notevolmente più veloci.

La scelta tra NVMe e SATA dipende dalle esigenze dell'utente. Per i PC, SATA rappresenta indiscutibilmente un'opzione più economica se un utente è disposto ad accettare una velocità inferiore. Per le esigenze aziendali, i vantaggi dell'utilizzo di NVMe diventano sempre più difficili da ignorare, anche con l'aumento del prezzo. Di seguito sono riportati alcuni esempi di applicazioni di entrambe le tecnologie:

Casi d'uso delle unità NVMe

• High-Performance Computing (HPC): le alte velocità di NVMe e la sua capacità di gestire l'elaborazione parallela lo rendono una scelta ideale per una vasta gamma di applicazioni di elaborazione ad alte prestazioni, tra cui trading finanziario ad alta frequenza, AI e apprendimento automatico (ML).
• Applicazioni impegnative: numerose app che richiedono interazioni con i clienti in tempo reale in un ambiente ricco di dati, come le app di finanza personale ed e-commerce, si affidano allo storage NVMe per eseguire i workload aziendali.
• Data center: le SSD NVMe aiutano numerosi data center in tutto il mondo ad ampliare le proprie capacità di data storage, garantendo comunque prestazioni elevate. Secondo un rapporto di Enterprise Strategy Group (link esterno a ibm.com), quasi tre quarti delle organizzazioni utilizzano già lo storage SSD basato su NVM o hanno in programma di adottarlo nel prossimo anno.

Casi d'uso di SATA

• Componenti legacy: SATA è "retrocompatibile", il che significa che può essere tranquillamente utilizzato con hardware e software più datati. A differenza delle SSD NVMe, una SSD SATA non stressa i componenti di un computer più datato, come ad esempio un processore.
• Video editing: per numerosi video editor, il prezzo più basso e le velocità elevate delle SSD SATA (rispetto agli HDD) li rendono un'opzione interessante. La velocità delle SSD SATA è sufficiente per le loro esigenze. La differenza tra una SSD SATA e una SSD NVMe in un ambiente di video editing è evidente solo con filmati a elevato bitrate (2.000 Mbps o superiore) o in un progetto che richiede l'editing simultaneo di filmati da più videocamere.
• Produzione audio: proprio come nel video editing, la produzione audio raramente richiede il tipo di velocità per cui è stato costruito una SSD NVMe, rendendo SATA un'alternativa accettabile. La produzione musicale, ad esempio, raramente richiede un'elevata velocità di lettura o scrittura, a meno che gli editor non lavorino con numerosi campioni. Le unità SSD SATA funzionano bene per la maggior parte delle esigenze di produzione audio e sono meno costose.

Per numerosi utenti, le SSD SATA sono abbastanza veloci da soddisfare le proprie esigenze quotidiane di trasferimento e data storage. A un prezzo più basso, almeno per ora, rimangono un'opzione interessante. Tuttavia, a livello aziendale, NVMe sta rapidamente diventando lo standard del settore.

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