ما المقصود بالذاكرة السريعة غير المتطايرة (NVMe)؟

يمكن لمحركات الأقراص الصلبة NVMe SSD أن توفِّر أوقات استجابة أسرع من محركات الأقراص الثابتة التقليدية (HDD) بفضل التعديلات في برنامج التشغيل التي تتيح التوازي والاستطلاع. تساعد هذه التحسينات على تقليل زمن الانتقال وجعلها مثالية لأعباء العمل المؤسسية والتطبيقات الاستهلاكية والمهنية. يمتد هذا التنوع عبر مجموعة واسعة من الصناعات، من الألعاب وتقنيات الأجهزة المحمولة إلى التجارة الإلكترونية والمالية ومنصات الرعاية الصحية.

يستمر الطلب اليوم على حلول التخزين القابلة للتوسع وعالية الأداء في النمو. في تقرير صادر عن مؤسسة Research and Markets، بلغت قيمة السوق العالمية لتقنية NVMe 212 مليار دولار أمريكي في عام 2024. ومن المتوقع أن تصل القيمة إلى 888.9 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2030، بنمو سنوي مركَّب قدره 27% خلال الفترة من 2024 إلى 2030.¹

تُساهم تطبيقات الذكاء الاصطناعي، وتحليلات البيانات الكبيرة، وإنترنت الأشياء في دفع هذا التوسع، حيث تمكِّن تقنية NVMe وغيرها من التقنيات من السرعة والكفاءة التي تتطلبها أعباء العمل هذه.

تم تطوير NVMe في الفترة من 2008 إلى 2011 ليحل محل بروتوكولات Serial Advanced Technology Attachment (SATA) وSerial Attached SCSI (SAS). التحسينات التي أضافها NVMe مقارنةً بمنافسيه جعلت منه المعيار الصناعي للتخزين عالي السرعة.

يطلب المستخدمون اليوم أوقات استجابة أسرع من أي وقت مضى من تطبيقاتهم. تم تصميم بروتوكول NVMe لتقديم تجربة الجيل التالي عالية الأداء وعرض النطاق الترددي العالي وزمن الانتقال المنخفض، بغض النظر عن نوع التطبيق الذي ينشره المستخدم. 

تصل محركات NVMe SSD إلى التخزين بالذاكرة الوميضية أساسًا عبر ناقل Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) الذي يزيل الحاجة إلى وحدة تحكُّم وسيطة. ومع ذلك، يمكن أن يعمل NVMe أيضًا على أي نوع من وصلات "fabric" (NVMe-oF)، مثل Fibre Channel وEthernet، وفي شبكة Ethernet تشمل iWarp وRoCEv2 وiSER وNVMe-TCP.

يمكن لمحركات NVMe SSD تشغيل عشرات الآلاف من قوائم انتظار الأوامر المتوازية. كما يمكنها تشغيل البرامج بسرعات أعلى من محركات الأقراص المتصلة باستخدام بروتوكول SCSI، الذي يمكنه نشر قائمة انتظار أوامر واحدة فقط. طريقة الاتصال مستقلة عن البروتوكول. على سبيل المثال، يمكن لمحركات الأقراص الصلبة PCIe SSD التي تستخدم NVMe توصيل محرك أقراص واحد برابط PCIe يعمل ببروتوكول NVMe.

تم تصميم NVMe لوسائط التخزين عالية الأداء وغير المتطايرة، مما يجعلها مثالية لبيئات اليوم المتطلبة والتي تتطلب معالجة مكثفة مثل برامج تحرير الرسومات، وبيئات الحوسبة السحابية، والبرامج الثابتة، وقواعد البيانات الكبيرة. يتعامل بروتوكول NVMe مع أعباء عمل المؤسسة بسرعة وكفاءة باستخدام بصمة بنية تحتية أصغر وطاقة أقل مقارنةً ببروتوكول SCSI.

يتم استخدام مصطلحات الذاكرة غير المتطايرة السريعة (NVMe) والمحركات ذات الحالة الصلبة (SSDs) بشكل متكرر لوصف نوعين مختلفين من محركات الأقراص. ومع ذلك، فهي أنواع مميزة من تكنولوجيا تخزين البيانات يمكن استخدامها لتعزيز بعضها. 

محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة هي أجهزة تخزين قائمة على أشباه الموصِّلات تعتمد على ذاكرة وميضية لتخزين البيانات الثابتة في أنظمة الكمبيوتر. في محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD)، يتم بناء كل شريحة ذاكرة من كتل تحتوي على خلايا ذاكرة (تُعرَف باسم الصفحات أو القطاعات) تحتوي كل منها على أجزاء بالذاكرة. على عكس وسائل التخزين المغناطيسية، مثل محركات الأقراص الصلبة (HDDs) ومحركات الأقراص المرنة التي تخزِّن البيانات باستخدام المغناطيس، تستخدم محركات SSD شرائح NAND. وهذه التقنية غير المتطايرة للتخزين لا تتطلب أي طاقة للحفاظ على بياناتها.

جميع أجهزة NVMe هي محركات SSD. ومع ذلك، لا تستخدم جميع محركات الأقراص الصلبة SSD تقنية PCIe؛ فبعض محركات الأقراص الصلبة SSD لا تزال تستخدم واجهات SATA وSAS القديمة التي تم تصميمها في الأصل لأجهزة HDD.

لمعرفة المزيد، راجِع SSD مقابل NVMe: ما الفرق؟

في الماضي، عندما كانت محركات الأقراص الثابتة (HDDs) هي الطريقة المفضلة في الصناعة لتخزين البيانات والوصول إليها، كانت SATA وSAS حلولًا مناسبة. تم تصميم SATA (Serial Advanced Technology Attachment) لتوصيل أجهزة التخزين التي تستخدم بروتوكول ATA، بينما تم تصميم SAS (Serial Attached SCSI) كواجهة تعتمد على SCSI. تم تحسين كليهما ليتناسب مع الطبيعة الميكانيكية لمحركات الأقراص الثابتة.

وحتى وقت قريب، كانت معظم محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة تستخدم SAS أو SATA للاتصال ببقية نظام الكمبيوتر. ومع ذلك، مع ازدياد استخدام تقنية الحالة الصلبة في صناعة التخزين، أصبحت تقنيتا SAS وSATA أكثر صعوبةً في الاستخدام لأنهما مصممتان لمحركات الأقراص الثابتة.

أخيرًا، تم تصميم NVMe خصيصًا لمحركات SSD، والبروتوكول الخاص به أكثر سلاسة من SCSI، ما يجعله حلًا أفضل للتطبيقات في الوقت الفعلي، مثل التعلم الآلي (ML) والذكاء الاصطناعي.

مع تزايد شعبية الحوسبة السحابية، يدعم NVMe بيئات التخزين السحابية الهجينة والمتعددة والأنظمة الرئيسية بفضل أدائه العالي المدمج وميزات حماية البيانات.

تم اختراع NVMe (ذاكرة غير متطايرة سريعة) كخيار أفضل لتخزين ونقل البيانات من SATA لمحركات الأقراص SSD في البيئات التي تتطلب عمليات نقل بيانات كبيرة دون إبطاء أوقات المعالجة. 

تمكِّن NVMe محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة من الاتصال مباشرةً بوحدة المعالجة المركزية باستخدام ناقل PCIe ومحول M.2 أو U.2 - كما هو الحال مع محرك أقراص SATA. تسمح NVMe لمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة بالاتصال مباشرةً بوحدة المعالجة المركزية من خلال واجهة PCIe، ما يُتيح لها قراءة وكتابة كميات كبيرة من البيانات بسرعة.

لتحقيق أداء أعلى، تحدِّد NVMe واجهة تسجيل ومجموعة أوامر ومجموعة من الميزات لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة المستندة إلى PCIe. عند الاتصال من خلال ناقل PCIe، يسهل بروتوكول NVMe زمن الانتقال المنخفض ويساعد على تحسين عمليات الإدخال/الإخراج في كل ثانية (IOPS). تستخدم محركات أقراص NVMe الحالية تقنية PCIe من الجيل الرابع أو الخامس، ما يسمح بأقصى أداء.

تدعم محركات NVMe العديد من أنواع أنظمة التشغيل، بما في ذلك Windows وLinux وMacOS. وأخيرًا، يدعم بروتوكول NVMe جميع أنواع NVM، بما في ذلك محركات الأقراص الصلبة SSD التي تدعم ذاكرة NAND الوميضية.بالإضافة إلى ذلك، يستخدم NVMe قوائم أوامر متوازية وحلقة "استطلاع" بدلًا من برنامج التشغيل المعتمد على "المقاطعات" كما في أجياله السابقة. يقلل هذا النهج من زمن الانتقال وتكاليف النظام، ما يساعد على تجنُّب عوائق وحدة المعالجة المركزية وتحسين الإنتاجية الإجمالية.

هناك عامل آخر مهم آخر يميز مواصفات NVMe وهو عامل الشكل، أو الطريقة التي يؤثِّر بها الحجم والتكوين والتصميم المادي في توافقها مع الأجهزة الأخرى. في عام 2020، اجتمعت جمعية صناعة شبكات التخزين (SNIA) لإنشاء عامل الشكل القياسي للمؤسسات ومراكز البيانات (EDSFF) لإنشاء إطار عمل متفق عليه على مستوى الصناعة لتقنية محرك الأقراص ذات الحالة الصلبة.

فكان عامل الشكل القياسي المتفق عليه لمحرك الأقراص ذات الحالة الصلبة هو 2.5 بوصة، والذي يتناسب بسهولة مع حاوية محرك الأقراص لمعظم أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية، ما يجعل محركات أقراص SSDs المستندة إلى NVMe متوافقة للغاية مع التقنية الحالية. ونظرًا لأن محرك الأقراص مقاس 2.5 بوصة يستخدم على نطاق واسع في كلٍّ من بيئات الحوسبة الاستهلاكية والتجارية، فإن استبدال محرك الأقراص الثابتة بمحركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe أمر بسيط ومباشر للمستخدمين الراغبين في ترقية أداء نظامهم.

يُعَد M.2 معيارًا للموصِّلات المادية، وهو من أكثر الصيغ شيوعًا لأقراص SSD. على الرغم من أن المصطلح يتم استخدامه غالبًا في المناقشات المتعلقة بمحركات الأقراص القائمة على تقنية NVMe، فإن NVMe في هذا السياق يُشير إلى الشكل المادي وليس إلى البروتوكول نفسه.

يمكن توصيل أقراص NVMe SSD بمنفذ PCIe على لوحة النظام لتحقيق أقصى أداء. ومع ذلك، فإن M.2 هو عامل شكل مضغوط يُتيح تخزينًا عالي الأداء في الأجهزة الرقيقة والخفيفة، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية.

للحصول على شرح أكثر تفصيلًا حول NVMe وM.2، اقرأ: NVMe مقابل M.2: ما الفرق؟

ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) هي نوع من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) يتم استخدامه على نطاق واسع، والتي تعتمد عليها أجهزة الكمبيوتر الشخصية والخوادم ومحطات العمل. وتأتي محركات أقراص SSDs المستندة إلى NVMe في كلٍّ من النوعين DRAM وأنواع أقل من DRAM. 

تُعَد محركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe المزوَّدة بذاكرة DRAM أغلى وأسرع من تلك التي لا تحتوي على ذاكرة DRAM، وهي خيار أفضل للتطبيقات كثيفة الرسوم مثل برامج تحرير الصور أو الفيديو. تُعَد وحدات NVMe الخالية من DRAM أكثر تكلفة وأبطأ، ولكنها لا تزال أسرع بكثير من محركات الأقراص الصلبة أو محركات الأقراص الصلبة SATA. هذه الجوانب تجعلها خيارات جيدة للمستخدمين الذين لا يحتاجون إلى سرعة أو أداء كبيرين للتطبيقات التي يشغِّلونها.

NVMe-oF (ذاكرة سريعة غير متطايرة عبر الشبكات) هو مواصفة بروتوكول تربط المضيفين بالتخزين المشترك عبر نسيج الشبكة (مثل Ethernet وFibre Channel وRDMA)، ما يُتيح اتصالًا عالي السرعة وذا زمن انتقل قصيرًا.

بينما تتصل NVMe مباشرةً من خلال PCIe بمحرك أقراص واحد ومضيف واحد، تعمل خوادم NVMe over Fabrics عبر شبكات على نطاق أوسع. لم يحل NVMe-oF محل NVMe؛ بل يكمله من خلال تمكين أداء NVMe عبر التخزين المشترك المتصل بالشبكة.

فيما يلي بعض أهم الفوائد للتخزين بذاكرة NVMe عبر محركات الأقراص SAS أو محركات الأقراص SSD:

• أداء أفضل: تستطيع تقنية NVMe استخدام PCIe لتوصيل وحدة تخزين SSD مباشرةً بالخادم أووحدة المعالجة المركزية (CPU). وقد جعل هذا التحسن الملحوظ في أداء NVMe منها الخيار المفضل لتخزين البيانات ونقلها للاعبين ومحرري الفيديو وغيرهم من المستخدمين الذين يحتاجون إلى أداء أعلى مما توفِّره محركات الأقراص الصلبة SAS أو SATA.

• سرعة أعلى: يمكن لمحركات NVMe توفير سرعات أعلى من محركات SAS أو SATA؛ لأنها قادرة على إرسال أوامر NVMe واستقبالها بشكل أسرع وتوفير إنتاجية أفضل.

• توافق أكبر: يوفر NVMe أداءً متفوقًا مقارنة بـ SAS/SATA ويتم تحديثه باستمرار لدعم التقنيات الحيوية سريعة التطور، مثل الذكاء الاصطناعي، التعلم الآلي، والحوسبة السحابية. كما يدعمه أنظمة التشغيل الحديثة، بما في ذلك منصات الهواتف المحمولة، ويُستخدم في الحواسيب المحمولة وأجهزة الألعاب.

• زيادة عرض النطاق الترددي: اتصال PCIe أوسع ويوفر عرض نطاق أكبر من منافذ SAS أو SATA. كما يتحسن مع كل جيل جديد، مضاعفًا عرض النطاق مقارنةً بالجيل السابق. بالمقابل، تتميز منافذ SAS وSATA بعرض نطاق أقل وثابت، لذا لا تتحسن مع الوقت. من الميزات الأخرى التي تميز اتصال PCIe أنه قابل للتوسع عبر "الممرات"، بحيث يمكن للمستخدمين حتى ضمن نفس الجيل مضاعفة عرض النطاق باستخدام ضعف عدد الممرات. للمزيد من التفاصيل حول NVMe وSATA، راجِع "NVMe مقابل SATA: ما الفرق؟"

يجمع NVMe بين زمن الانتقال القصير، والكفاءة في الطاقة، وسرعة أعلى في تخزين ونقل البيانات مقارنةً بأقراص SAS وSATA، ما يجعله خيارًا مفضلًا للأعمال والاستخدام الشخصي. بالإضافة إلى تعزيز الأداء وزيادة سعة تخزين البيانات، تتوفر أقراص NVMe SSD بشكل أوسع مقارنةً بأقراص SAS وSATA، وتُطرح من قِبل شركات استهلاكية مثل Intel وSamsung.

فيما يلي بعض حالات استخدام NVMe الشائعة.

السرعة العالية، وقابلية البرمجة، والقدرة على معالجة العمليات المتوازية تجعل NVMe مثاليًا لمجموعة واسعة من تطبيقات الحوسبة عالية الأداء (HPC)، بما في ذلك التداول عالي التردد والذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي.

تتطلب العديد من التطبيقات المتطورة مساحة تخزين كبيرة في قائمة الانتظار. على عكس أقراص SAS وSATA السابقة، يمكن لـ NVMe دعم ما يصل إلى 65,000 قائمة انتظار وأوامر لكل قائمة، ما يُتيح معالجة عدد أكبر بكثير من الأوامر في وقت واحد. 

تساعد محركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe مراكز البيانات على توسيع سعة تخزين البيانات وتقديم أداء أعلى بسعر مماثل لمحركات أقراص SSD المستندة إلى SATA، ما يدفع العديد من المؤسسات الحديثة إلى إجراء التبديل.

وفقًا لتقرير صادر عن مجموعة Enterprise Strategy Group، تستخدم حوالي ثلاثة أرباع المؤسسات تقريبًا إما تخزين محركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe أو تخطط لنشرها في الأشهر الاثني عشر المقبلة.²

سواء أكان الشخص يعمل على تحرير فيديو لتجمُّع عائلي أو يعمل على فيلم رسوم متحركة، فإن سرعات نقل البيانات العالية لذاكرة NVMe تسرِّع عملية تحرير الفيديو بشكل كبير. ببساطة، تحرير مشهد وعرضه في برنامج تحرير الفيديو يولِّد الكثير من البيانات. ويمكن لمحركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe معالجة كل هذه البيانات من دون إبطاء سير العملية.

لقد أدى نشر NVMe في تطبيقات عمليات التطوير المحفوظة في حاويات إلى تقصير وقت عمليات البناء الكبيرة وتسريع تكرارات البرمجة للعديد من المطورين. 

كما يساهم NVMe في تسريع عملية التطوير وتقليل تكلفتها، ما يساعد الفِرق على إطلاق التطبيقات بسرعة أكبر مع توفُّر مجموعة أوسع من الأدوات.

تساهم الأنظمة المعتمدة على NVMe في تسريع أداء التطبيقات وتقليل عدد الخوادم الفعلية المطلوبة لقواعد البيانات العلائقية، ما يمكِّن المؤسسات من معالجة الاستعلامات بكفاءة أعلى وبكلفة بنية تحتية أقل.

في البيئات الافتراضية (على سبيل المثال، VMware، وVDI)، تعمل تقنية NVMe على تقليل زمن انتقال التخزين والقضاء على عوائق الإدخال/الإخراج التي تحدث عندما تتنافس العديد من الأجهزة الافتراضية على موارد التخزين.

كما أن تقنية NVMe تتيح معالجة آلاف الأوامر في وقت واحد، ما يسمح للخوادم بدعم المزيد من الأجهزة الافتراضية مع الحفاظ على السرعة والموثوقية.

تعمل محركات الأقراص الصلبة NVMe عالية السرعة على تسريع تدريب نماذج التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي من خلال توفير وصول سريع إلى مجموعات البيانات الكبيرة . يدعم هذا معالجة اللغة الطبيعية (NLP) والتحليلات التنبؤية، حيث يكون اتخاذ القرارات في الوقت الفعلي مطلوبًا لأعباء العمل المتعلقة بالتشخيص الطبي المدعوم بالذكاء الاصطناعي والنمذجة المالية.