NVMeとは

NVMe SSDは、並列処理とポーリングができるようにデバイス・ドライバーを変更することで、従来のHDD（ハード・ディスク・ドライブ）よりも高速な応答時間を実現できます。これらの改善により、遅延が短縮され、エンタープライズ・ワークロード、コンシューマー・アプリケーションやプロフェッショナル・アプリケーションにとって理想的な装置です。この汎用性は、ゲームやモバイル・テクノロジーから電子商取引、金融、ヘルスケア・プラットフォームまで、幅広い業種に及んでいます。

スケーラブルで高性能なストレージソリューションに対する需要は、今日もなお高まり続けています。Research and Marketsのレポートによると、NVMeの世界市場は2024年に2,120億米ドルに達すると評価されています。この市場規模は2030年までに8889億米ドルに達すると予測されており、2024年から2030年にかけて年平均成長率（CAGR）27％で成長する見込みです。¹

人工知能(AI)、ビッグデータ分析、IoT(モノのインターネット)アプリケーションがこの拡大を牽引しており、NVMeやその他の技術がこれらのワークロードに必要な速度と効率性を実現しています。

NVMは、2008年から2011年にかけて、Serial Advanced Technology Attachment（SATA）およびSerial Attached SCSI（SAS）プロトコルの代替として開発されました。NVMeは競合他社に比べて進化し、高速ストレージの業界標準となっています。

今日、ユーザーはアプリケーションに対して、これまで以上に高速なレスポンスを求めています。NVMeプロトコルは、ユーザーが導入しているアプリケーションの種類に関係なく、次世代の高性能、高帯域幅、低遅延のエクスペリエンスを実現するために構築されました。

NVMe SSDは、主にPeripheral Component Interconnect Express（PCIe）バスを介してフラッシュ・ストレージにアクセスするため、「仲介者」であるコントローラーが不要になります。しかも、NVMeは、ファイバー・チャネルやイーサネットなどのあらゆるタイプの「ファブリック」相互接続（NVMe-oF）や、イーサネット、iWarp、RoCEv2、iSER、NVMe-TCP内でも動作します。

NVMe SSDは、数万の並列コマンド・キューを実行できます。また、単一のコマンドキューしか実行できない SCSI プロトコルを使用して接続されたドライブよりも高速にプログラムを実行することもできます。接続方法はプロトコルに依存しません。たとえば、NVMe を使用する PCIe SSD は、NVMe プロトコルを実行する PCIe リンクを使用して単一のドライブを接続できます。

NVMeは、高性能の不揮発性ストレージ・メディア用に構築されており、グラフィック編集ソフトウェア、クラウド・コンピューティング環境、ファームウェア、大規模データベースなど、要求が厳しく、コンピューティング負荷の高い今日の環境に最適です。NVMeは、SCSIよりもインフラストラクチャーのフットプリントが小さく、消費電力が少ないため、エンタープライズ・ワークロードを迅速かつ効率的に処理できます。

Non-volatile Memory Express (NVMe) とソリッドステート・ドライブ (SSD) は、2 つの異なるタイプのドライブを表すときによく使用されます。しかしこれらは、互いを強化するために活用できる、異なるタイプのデータストレージ技術です。

SSDとは、フラッシュ・メモリーを利用してコンピューター・システムに永続的なデータを保存する半導体ベースのストレージ・デバイスのことです。SSDの各メモリー・チップは、メモリーのビットを含むセル（別名：ページまたはセクター）が収められたブロックで構成されています。磁石を利用してデータを保管するHDDやディスケットドライブなどの磁気ストレージとは異なり、SSDはNANDチップを使用します。この不揮発性ストレージ・テクノロジーは、データを維持するための電力を必要としません。

すべてのNVMeデバイスはSSDです。ただし、すべてのSSDがPCIeテクノロジーを使用しているわけではありません。一部のSSDでは、もともとHDDデバイス用に設計された古いSATAおよびSASインターフェイスを引き続き使用しています。

詳細については、NVMe versus SATA: What's the difference?（NVMeとSATAの違い）をご覧ください。

かつて、データの保存およびアクセス方法としてハード・ディスク・ドライブ（HDD）が業界で好まれていたとき、SATAとSASが適切なソリューションでした。SATA（Serial Advanced Technology Attachment）はATAプロトコルを使用するストレージ・デバイスを接続するために設計され、SAS（Serial Attached SCSI）はSCSIベースのインターフェースとして設計されました。どちらもHDDの機械的性質に合わせて最適化されています。

最近までほとんどのSSDは、SASまたSATAを使用してコンピューター・システムの他の部分と接続していました。しかし、ストレージ業界全体でソリッドステート・テクノロジーが台頭すると、SASとSATAはHDD用に設計されているため、より適合しにくいものとなりました。

最後に、NVMe は SSD 専用に設計されており、そのプロトコルは SCSI よりも合理化されているため、機械学習 (ML)や AI などのリアルタイムアプリケーションに適したソリューションになります。

クラウドコンピューティングの普及に伴い、NVMeはその高い性能とデータ保護機能により、ハイブリッドクラウド、マルチクラウド、およびメインフレームストレージ環境をサポートします。

NVMe（Non-Volatile Memory Express）は、処理時間を遅らせることなく大量のデータ転送を行わなければならない環境における、SSD向けのSATAよりも優れたデータ・ストレージおよび転送オプションとして発明されました。

NVMeは、M.2またはU.2アダプターとPCIeバスを使用してSSDをCPUに直接接続することを可能にします。これは、SATAドライブと同じです。NVMeにより、SSDをPCIeインターフェースを介してCPUに直接接続できるため、大量のデータを迅速に読み書きできるようになります。

さらにNVMeは、より高いパフォーマンスを実現するために、PCIeベースのSSD向けのレジスター・インターフェース、コマンド・セット、機能グループを定義します。PCIeバス経由で接続すると、NVMeプロトコルにより遅延が短縮され、1秒あたりの I/O 操作（IOPS）が最適化されます。現在のNVMeドライブはPCIe Gen 4またはGen 5を使用しており、最大の性能を実現できます。

NVMeドライバーは、Windows、Linux、MacOSなど、多くの種類のオペレーティング・システム（OS）に対応しています。最後に、NVMeプロトコルは、NANDフラッシュ対応SSDを含むあらゆる種類のNVMをサポートしています。また、NVMeは、以前の「割り込み」ベースのデバイス・ドライバーではなく、並列コマンド・キューと「ポーリングループ」を使用します。このアプローチにより、遅延とシステム・オーバーヘッドが削減され、CPUのボトルネックを回避し、全体的なスループットが向上します。

NVMe仕様のもう1つの重要な差別化要因は、フォーム・ファクター、つまりサイズ、構成、物理設計が他のデバイスとの互換性に与える影響です。2020年、Storage Networking Industry Association（SNIA）は、SSD技術に関する合意された業界全体のフレームワークを作成するための、企業およびデータセンターにおける標準フォーム・ファクター（Enterprise and Datacenter Standard Form Factor：EDSFF）を確立させるために招集されました。

そこで合意されたSSDの標準フォーム・ファクターは、2.5インチという、ほとんどのノートPCやデスクトップPCのドライブ・ベイに簡単に収まるサイズでした。つまり、NVMe SSDは既存のテクノロジーと高い互換性を持つことになります。2.5インチドライブは、消費者向けや企業向けのコンピューティング環境で広く使用されているため、システムのパフォーマンスを上げたいユーザーにとっては、HDDをNVMe SSDに置き換えることは難しい作業ではありません。

SSDで最も広く使用されているフォーム・ファクターの1つであるM.2は、物理コネクター規格です。この用語はNVMeベースのドライブに関する議論でよく使用されますが、ここでのNVMeはプロトコルそのものではなく、物理的なフォーム・ファクターを指します。

NVMe SSDは、システムボード上のPCIeスロットに取り付けて、最大の性能を実現します。しかし、M.2は、ノートPCやタブレットなどの薄型デバイスや軽量デバイスでの高性能ストレージを実現するコンパクトなフォーム・ファクターです。

NVMe と M.2 のより詳しい説明については、 「NVMeとM.2の違い」をお読みください。

ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー (DRAM) は、パーソナル・コンピューター（PC）、サーバー、およびワークステーションで使用される、普及型のランダム・アクセス・メモリー（RAM）です。NVMe SSDには、DRAM搭載タイプとDRAM非搭載タイプがあります。

DRAM搭載タイプのNVMe SSDは、DRAM非搭載タイプよりも高価で高速であるため、写真や動画編集ソフトウェアなどのグラフィック集約型アプリケーションに適しています。DRAM非搭載のNVMeは、より手頃な価格で速度は遅いものの、それでもHDDやSATAのSSDよりもはるかに高速であるため、実行中のアプリケーションにそれほど速度やパフォーマンスを必要としないユーザーにとっては良い選択肢となります。

NVMe-oF（Non-Volatile Memory Express over Fabric）は、ネットワーク・ファブリック（イーサネット、ファイバーチャネル、RDMAなど）を使用してホストを共有ストレージに接続し、高速で低遅延の通信を可能にするプロトコル仕様です。

NVMeは1台のドライブと1台のホストをPCIe経由で直接接続するのに対し、NVMe over Fabricsサーバーはネットワークを介してより広範囲に機能します。NVMe-oFはNVMeに取って代わったわけではなく、ネットワーク接続型共有ストレージ上でNVMeの性能を実現することでこれを補完するものです。

SASまたはSATA SSDドライブを使用するNVMeストレージの主なメリットは次のとおりです。

• パフォーマンスの向上：NVMeテクノロジーは、PCIeを使用して、SSDストレージをサーバーまたは中央処理装置/プロセッサ（CPU）に直接接続できます。この大幅なパフォーマンス向上により、NVMeテクノロジーは、ゲーマー、ビデオ編集者、その他SASやSATAを使用したHDDよりも高いパフォーマンスを必要とするユーザーに好まれるデータ・ストレージ／転送オプションになりました。

• 高速：NVMeドライブは、NVMeコマンドの送受信がより高速で、より優れたスループットを実現できるため、SASまたはSATAドライブよりも高速に動作します。

• 互換性の向上：NVMeはSAS/SATAに比べて優れた性能を提供し、AI、ML、クラウドコンピューティングなどの重要で高速な技術に対応するために頻繁にアップデートされています。これはモバイルプラットフォームを含む最新のオペレーティングシステム(OS)でサポートされており、ノートパソコンやゲーム機で使用されています。

• 帯域幅の向上：PCIe接続は、SASポートやSATAポートよりも帯域幅が広く、豊富です。また、世代が新しくなるごとに性能が向上し、前世代の帯域幅の2倍になります。SASとSATAは帯域幅が低く、固定されているため、時間の経過とともに改善されることはありません。PCIe接続を際立った存在にしているもう1つの特長は、「レーン」単位でスケーラブルであるということです。そのため、同じ世代であっても、レーン数を2倍にすれば帯域幅を2倍にすることができます。NVMeとSATAについて詳しく知りたい方は、「NVMe versus SATA: What's the difference?（NVMeとSATAの違い）」をご覧ください。

NVMeは低遅延、高い電力効率、SASやSATAドライブよりも高速なデータの保管・転送機能という特長を持つため、ビジネス向けにも、消費者向けにも強力な選択肢となります。NVMe SSDは、パフォーマンスを向上させ、データ・ストレージ容量を増加させるだけでなく、SASやSATAのSSDよりも入手しやすく、IntelやSamsungなどの消費者向け企業から購入できます。

ここでは、NVMeの一般的なユースケースを数件紹介します。

NVMe の高速性、プログラミング性、並列処理能力は、刻一刻と更新される金融取引、AI、MLなど、幅広い高性能コンピューティング（HPC）アプリケーションに最適です。

多くの最先端アプリケーションでは、ストレージに大きなキュー深度が必要です。かつてのSAS/SATAとは異なり、NVMeはキューあたり最大65,000のキューとコマンドを保持できるため、同時に処理可能なコマンド数ははるかに多くなります。

NVMe SSDは、データセンターのデータ・ストレージ容量を拡張し、SATA SSDと同等の価格でより高いパフォーマンスを発揮させるため、多くの現代企業がNVMe SSDへの切り替えを行っています。

Enterprise Strategy Groupのレポートによると、ほぼ4分の3の組織が、すでにNVMeベースのSSDストレージを使用しているか、今後12カ月以内の導入を計画しているとのことです。²

家族の再会のビデオを編集している場合でも、アニメーション映画の制作に取り組んでいる場合でも、NVMeの高速データ転送により動画編集が大幅に高速化されます。簡単に言えば、動画編集ソフトウェアでシーンを編集およびレンダリングすると、大量のデータが生成されますが、NVMe SSDは、プロセスを減速させることなくこれらすべてのデータを処理できるということです。

コンテナ化されたDevOpsアプリケーションにNVMeを導入することで、多くの開発者にとって大規模なビルドの時間が短縮され、コーディングの繰り返しが高速化しました。

また、NVMeは開発をより速く、より安価にし、チームが自由に使えるツールを幅広く利用してアプリをより早く起動できるようにします。

NVMe ベースのシステムは、アプリケーションのパフォーマンスを高速化し、リレーショナルデータベースに必要な物理サーバーの数を減らし、組織がクエリをより効率的に処理し、インフラストラクチャコストを削減できるようにします。

仮想化環境(例: VMware、VDI)では、NVMeはストレージ遅延を低減し、複数の仮想マシン(VM)がストレージリソースを巡って競合する際に発生するI/Oのボトルネックを解消します。

また、NVMeは一度に数千のコマンドを処理できるため、サーバーは速度と信頼性を維持しながら、より多くのVMをサポートできるようになります。

高速NVMe SSDは、大規模データセットへの迅速なアクセスを提供することで、MLおよびAIモデルのトレーニングを加速します。これにより、AIを活用した医療診断や財務モデリングに関連するワークロードに対してリアルタイムの意思決定が必要な自然言語処理(NLP)や予測分析をサポートします。