NVM Express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は遅延と性能において競合他社を凌ぐ改善を成し遂げ、モノのインターネット（IoT）、人工知能（AI）、機械学習（ML） など、他の重要な技術の発展にも貢献しました。

今日、ユーザーはアプリケーションに対してかつてないほど高速な応答時間を求めています。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提供するために構築されました。NVMe SSDは、主にPCIe（Peripheral Component Interconnect Express）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、「ミドルマン」コントローラーが不要になり、遅延が短縮されます。ただし、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・キューを実行できるため、単一のコマンド・キューしか展開できない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 PCIeは、NVMeプロトコルを実行しているPCIeリンクを介して、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します。

データの保存およびアクセス方法としてハード・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。どちらのテクノロジーも、HDDとのデータのやり取りを容易にするSCSIストレージ・インターフェースとして設計されました。SASは、SCSIプロトコルを実行しているSASポートを介して単一のドライブを接続し、その後PCIeリンクに接続します。SATAは、ATAコントローラーによってATAプロトコルを実行しているSATAポートを介して単一のドライブを接続し、その後PCIeリンクに接続します。

最近まで、ほとんどのSSDはSASまたは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、SASとSATAはHDDでの使用を想定して設計されていたため、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してくると、次第に適合しにくいものになっていきました。2023年のInternational Data Corporation（IDC）のレポートによると、NVMeは、コンピュータと1つ以上の周辺機器を接続するための標準的なシリアル拡張バスである、PCIエクスプレス経由で接続されたシステムへのデータ転送を高速化するために設計されました。(2)

SSDでの使用に特化して設計されているという事実に加え、NVMeのプロトコルはSCSIよりも合理化されており、MLやAIなどのリアルタイム・アプリケーションにより適した、優れたソリューションとなっています。クラウド・コンピューティング環境の人気が高まる中、NVMeは、固有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、メインフレームのストレージ環境をサポートする上でも有利な立場にあります。

SASまたはSATAドライブ上でNVMeストレージを使用するメリットの一部を次に示します。

パフォーマンスの向上：NVMeテクノロジーは、PCIeの使用により、SSDストレージをサーバーまたは中央処理装置（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、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、ゲーマー、ビデオ編集者、その他の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コマンドをより速く送受信でき、より優れたスループットを実現できるため、SASまたはSATAドライブと比べて大幅な高速化を実現できます。

互換性の向上：NVMeは、SASやSATAよりも互換性の高いオプションであると広く考えられているほか、AI、ML、クラウド・コンピューティングなど、重要で変化の激しいテクノロジーと並行して開発されるため、更新も頻繁に行われます。NVMeテクノロジーは、携帯電話、ノートPC、ゲーム機など、すべての最新のオペレーティング・システムでシームレスに動作します。

帯域幅の改善： PCIe接続は、SASポートやSATAポートと比べて帯域幅がはるかに広く、より豊富です。また、世代が進むごとに改善され、前世代の帯域幅の2倍に増加します。SASとSATAの接続帯域幅ははるかに低く、固定されているため、時間が経っても改善されません。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ため、同じ世代であっても、レーン数を2倍にすることで帯域幅を2倍にできることです。

NVMeとSATAについて、詳しくは「NVMe vs. SATA: What's difference?」をご覧ください。

SSDとフラッシュ・ストレージが登場するまで、すべてのHDDストレージ・システムでSATAが使用されていました。しかし、モバイル・アプリケーション、ビデオ・ゲーム、AIなどの新技術によってコンピューティング環境への要求が高まるにつれ、SATAの限界が明らかになりました。具体的には、SATAは速度が遅く、帯域幅も低いため、新しいアプリケーション機能の鍵となる大規模なデータ転送がスムーズに行えなくなりました。

NVMeは、処理時間を低下させずに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／転送オプションとして発明されました。NVMeにより、SATAドライブの場合と同様に、PCIeバスおよびM.2またはU.2アダプターを使用して、SSDをCPUに直接接続できます。また、NVMeを使用すると、SSDをCPUに直接接続し、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。

NVMeドライバーは、Windows、Linux、MacOSなど、さまざまな種類の一般的なオペレーティング・システム（OS）をサポートしています。さらに、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。最後に、NVMeは、従来の「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」を使用することで、遅延とシステム・オーバーヘッドを低減するほか、グラフィック・カードが基盤となるCPUよりも高速に動作する場合をはじめとした、CPUのボトルネックを回避します。

NVMe SSDのフォーム・ファクター

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。最近になって、Storage Networking Industry Association（SNIA）が会議を開き、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）を制定して、SSDテクノロジーに関する業界全体の合意されたフレームワークを形成しました。

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・ドライブはコンシューマー用および商用コンピューティング環境の両方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アップグレードしたいユーザーは、いたって容易にHDDをNVMeSDDに交換できます。

m.2 NVMeドライブ

M.2 SSDは、SSDで使用されるもう1つの物理フォーム・ファクターまたはコネクターです。この言葉は、NVMeと同じ意味で使用されることがよくありますが、両者は異なる種類のストレージ・テクノロジーです。NVMe SSDがマザーボード上のPCIeスロットに取り付けられ、競合製品よりもはるかに高速なデータ転送速度を実現するのに対し、m.2ドライブは物理的なフォーム・ファクター（コネクター）であり、超薄型ノートPCやタブレットなどの小型で電力制約のあるデバイスで高性能ストレージを実現します。

NVMeとダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー

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レスタイプがあります。DRAM搭載タイプのNVMe SSDは、DRAMレスタイプよりも高価で高速であるため、写真やビデオ編集ソフトウェアなど、グラフィックを多用するアプリケーションに適した選択肢です。DRAMレスタイプのNVMeは、より価格が手頃で、低速にはなりますが、それでもHDDやSATAのSSDと比較するとはるかに高速であるため、アプリケーションを実行する際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です。