NVMe для сервера: что это, зачем нужно и что лучше использовать

В общении с клиентами мы часто получаем вопросы о нашем оборудовании, иногда сложные и не вполне корректные — например, «что лучше, NVMe или SSD», «что лучше, M2 или NVMe» или «что лучше, NVMe или SATA». Чтобы ответить на них, нужно погрузить спрашивающего в технический контекст — для чего мы и написали эту статью.

Потому что серверные диски — действительно сложная тема, а для наших облачных серверов мы используем только современные технологии хранения данных. Они стремительно развиваются, и современные серверные решения требуют максимальной производительности при минимальных задержках. Одним из ключевых направлений эволюции накопителей стало появление NVMe – протокола, созданного специально для работы с SSD, которые подключаются по высокоскоростной шине PCIe.

По сравнению с классическими твердотельными дисками SATA, NVMe открывает новые горизонты пропускной способности и существенно снижает задержки при работе с серверными нагрузками. В данной статье мы подробно разберём, в чём заключаются особенности NVMe для сервера, какие есть различия с форм-факторами SSD M.2 и NGFF, а также обсудим, что лучше выбрать в конкретных сценариях.

Краткий обзор эволюции SSD

SSD стали популярными благодаря заметному приросту скорости по сравнению с HDD. Первые массовые SSD для потребительского рынка были ориентированы на интерфейс SATA и часто представляли собой форм-фактор 2,5 дюйма. Однако сама шина SATA, разработанная для жёстких дисков, со временем стала узким местом для высокоскоростных флеш-накопителей. Если типичные показатели пропускной способности интерфейса SATA III достигают порядка 6 Гбит/с (около 600 МБ/с реальной скорости чтения/записи на практике), то современные твердотельные накопители способны работать гораздо быстрее, что и подтолкнуло отрасль к созданию новых решений.

Постепенно на рынке утвердился интерфейс PCI Express, способный обеспечивать гораздо большую пропускную способность – в зависимости от версии PCIe и количества линий (x1, x2, x4, x8 и т. д.). Однако просто перейти на шину PCIe было недостаточно для полного раскрытия потенциала SSD, поскольку традиционные протоколы (например, AHCI) не оптимизировались именно под флеш-память. Так появился протокол NVMe, спроектированный для работы напрямую с высокопроизводительными твердотельными накопителями через шину PCIe и обладающий множеством преимуществ по сравнению с предыдущими разработками.

Параллелизм и низкие задержки

Главная идея NVMe – предоставить максимально возможный параллелизм ввода-вывода и минимизировать задержки при обращении к накопителю. В отличие от протокола AHCI, разрабатывавшегося с учётом медленных жёстких дисков, NVMe с самого начала ориентирован на флеш-память и возможности современных процессоров. NVMe поддерживает несколько очередей (до 65536), и каждая очередь может содержать до 65536 команд, что серьёзно повышает эффективность работы серверов под высокой нагрузкой.

Высокая пропускная способность

Работая по шине PCIe, NVMe-накопители могут обеспечивать скорости чтения и записи в несколько раз выше, чем накопители SATA. Например, даже при использовании четырёх линий PCIe 3.0 (x4) мы получаем теоретическую пропускную способность до 32 Гбит/с, а уже с приходом PCIe 4.0 и 5.0 эта цифра становится ещё выше. Современные NVMe SSD нередко демонстрируют последовательные скорости чтения 3–7 ГБ/с и даже больше при правильной конфигурации сервера.

Сокращение затрат энергии и улучшенная эффективность

Хотя твердотельные накопители потребляют меньше энергии, чем HDD, у NVMe SSD зачастую ещё более оптимизированное энергопотребление за счёт более короткого времени отклика и эффективного управления питанием. Это особенно актуально в больших дата-центрах, где вопрос энергозатрат является критически важным с точки зрения финансов и охлаждения.

Универсальность и гибкость

NVMe-накопители могут поставляться в разных форм-факторах, включая карту расширения (AIC), 2,5-дюймовый форм-фактор (U.2 или U.3) и M.2 (NGFF). Это даёт инженерам и администраторам систем много возможностей по выбору оптимального варианта для конкретных серверов или рабочих станций. Кроме того, сама конструкция NVMe SSD зачастую обеспечивает повышенную надёжность, хотя многое зависит и от типа используемой флеш-памяти.

Форм-фактор M.2 и его особенности

Форм-фактор M.2 был разработан для обеспечения более компактных размеров накопителей и улучшенной гибкости при установке внутрь разных устройств. Изначально M.2 получил широкое распространение в ноутбуках и ультрабуках, но постепенно проник и в серверные решения.

Мы часто слышим вопрос — «что лучше, SSD M2 или NVMe». Если сравнить классические 2,5-дюймовые SSD и M.2-накопители, то последние заметно компактнее и могут напрямую подключаться к материнской плате, зачастую без лишних кабелей.

Название NGFF применялось на ранних этапах внедрения нового форм-фактора. Со временем стандарт закрепился под официальным именем M.2, однако в документации можно по-прежнему встретить упоминания NGFF. Иногда даже возникает путаница: кто-то может начать выяснять, в чем отличия NGFF и NVMe.

Поддержка SATA и PCIe

Разъём M.2 может поддерживать разные интерфейсы: SATA и PCIe. В первом случае накопитель будет работать фактически как обычный SATA SSD, а во втором – задействовать линии PCIe и протокол NVMe. В серверных сценариях в подавляющем большинстве случаев при упоминании накопителя M.2 подразумевают именно вариант PCIe x4 с поддержкой NVMe, поскольку он обеспечивает наилучшую производительность.

Вопрос совместимости

Перед покупкой M.2-накопителя для сервера важно уточнить, поддерживается ли протокол NVMe системной платой и сам слот M.2. Некоторые серверные платы предлагают только два или четыре слота M.2, ориентируясь на NVMe, но есть варианты, где слот M.2 работает только в режиме SATA. Более того, следует убедиться, что длина накопителя (обычно бывает 2280, 22110 и другие варианты) подходит к креплениям материнской платы или к адаптеру.

NVMe в формате 2,5 дюйма

Хотя форм-фактор M.2 сегодня очень распространён, в серверной среде сильно востребован и 2,5-дюймовый формат NVMe (интерфейсы U.2 и U.3). Такие накопители внешне похожи на стандартные 2,5-дюймовые SATA- или SAS-диски, но внутри используют шину PCIe и протокол NVMe. В некоторых случаях 2,5-дюймовые накопители NVMe удобнее, так как их можно “горячей заменой” (hot-swap) вынимать и устанавливать в соответствующие отсеки сервера.

Форм-фактор U.2 (ранее часто упоминался как SFF-8639) обеспечивает необходимое соединение для четырёх линий PCIe и дополнительного питания. U.3 является дальнейшим развитием этого подхода и может работать с SAS, SATA и NVMe в одном универсальном порту, что даёт дополнительную гибкость при конфигурации системы. Для крупных дата-центров, где важно упрощённое обслуживание и быстрый доступ к накопителям, 2,5-дюймовые NVMe-диски — интересное решение.

Отличия NVMe M.2 и SATA M.2

Иногда SSD M.2 и NVMe SSD рассматривают как синонимы, но это не совсем корректно. M.2 (он же NGFF) – это всего лишь стандарт на габариты и тип разъёма, а не на протокол.

• SATA M.2 по-прежнему ограничен пределом ~600 МБ/с, тогда как NVMe M.2 может достигать нескольких гигабайт в секунду.
• NVMe обеспечивает более низкие задержки благодаря оптимизации протокола для флеш-памяти.
• В NVMe реализовано масштабирование командных очередей, которое благотворно сказывается на производительности в серверных средах.

При выборе M.2-накопителя под сервер важно обращать внимание не только на форм-фактор, но и на поддержку интерфейса NVMe, если стоит задача достичь максимальных скоростей работы.

Чем NVMe лучше для сервера?

Основное преимущество NVMe в серверах – это колоссальный прирост производительности в системах, где требуется быстрое чтение/запись. К таким нагрузкам относят базы данных, виртуализацию, аналитические кластеры, системы Big Data. NVMe даёт возможность более эффективно использовать параллелизм современных многоядерных процессоров, предотвращая “узкие места” в дисковой подсистеме.

Преимущества NVMe в серверной среде:

• Скорость. NVMe SSD в разы быстрее по сравнению с HDD и ощутимо превосходит SATA SSD.
• Низкие задержки. Серверные приложения выигрывают за счёт более оперативной обработки большого объёма запросов I/O.
• Масштабируемость. NVMe хорошо интегрируется с современными архитектурами, где множество дисков подключено к кластеру либо используется в комбинациях RAID.
• Дополнительные технологии. Многие NVMe-накопители поддерживают аппаратное шифрование, функции обеспечения целостности данных и специальные режимы прошивки, полезные для бизнеса.

Типы памяти и надёжность

При выборе NVMe SSD для сервера стоит учитывать, на каком типе памяти основан накопитель. Основные различия заключаются в скорости записи, долговечности (число перезаписей) и стоимости. Для серверных задач, предполагающих высокую нагрузку, часто рекомендуются решения на базе MLC или, как минимум, высокопроизводительные TLC с хорошими алгоритмами wear leveling и продвинутыми технологиями коррекции ошибок (ECC). SLC – самый надёжный и быстрый вариант, который хранит по одному биту в ячейке. Он встречается достаточно редко в массовом сегменте из-за высокой цены, обычно это узкоспециализированные решения для критически важных систем и интенсивных записей.

Тепловыделение и троттлинг

NVMe SSD при своей высокой производительности могут выделять больше тепла, чем SATA-накопители, особенно в компактном форм-факторе M.2. Для серверов вопрос охлаждения и распределения потока воздуха стоит особенно остро. Если накопитель перегревается, он может снижать тактовую частоту контроллера и скорость ввода-вывода (так называемый троттлинг), чтобы не выйти из безопасного диапазона температуры.

В серверах, где много NVMe M.2 накопителей установлено параллельно, необходимо заранее продумать эффективную вентиляцию и при необходимости использовать радиаторы или дополнительные системы охлаждения. У некоторых NVMe-решений для дата-центров есть встроенные системы контроля температуры с защитой от перегрева.

Сценарии использования NVMe в серверах

• Базы данных. NVMe SSD идеально подходят для СУБД, требующих высокой скорости чтения и записи, таких как PostgreSQL, MySQL, MS SQL. Это повышает общую пропускную способность и сокращает время отклика.
• Виртуализация. Гипервизоры (такие как VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, KVM) могут более эффективно распределять ресурсы, когда доступны высокоскоростные хранилища NVMe для виртуальных машин.
• Аналитика и Big Data. Hadoop-кластеры и другие системы анализа больших данных получают значительный прирост в скорости обработки при использовании NVMe в качестве кэша или основного хранилища для «горячих» данных.
• Файловые серверы и кэширование. Файловые системы, вроде Ceph или GlusterFS, при наличии быстрых NVMe-накопителей могут эффективнее обслуживать запросы. Вариант кэширования на NVMe также даёт выгоду в гибридных системах, где основное хранилище – HDD.
• Высокопроизводительные вычисления (HPC). Научные задачи, моделирование, вычислительная биология и подобные направления требуют колоссального I/O. NVMe позволяет снизить время простоя вычислительных узлов, ускоряя доступ к данным.

Minio, Ceph и другие распределённые системы

Распределённые системы хранения (Object Storage) позволяют дублировать данные и распределять их по нескольким узлам для обеспечения гибкости и отказоустойчивости. При использовании NVMe в таких решениях можно значительно сократить задержки при чтении и записи, что ведёт к росту пропускной способности для всего кластера. Однако важно не забывать, что общая производительность будет зависеть ещё и от сетевой инфраструктуры. NVMe в сочетании с 10GbE (или более высокой скоростью сети) даёт мощный толчок в производительности распределённого хранилища.

Что лучше для сервера?

Ответ на вопрос «что лучше?» зависит от конкретных задач и бюджета.

• Если важнейшее требование – максимальная скорость и минимальные задержки, то NVMe почти однозначно выигрывает у SATA. При этом формат M.2 хорошо подходит для компактных систем, где важно сэкономить место, однако требует надёжной системы охлаждения. 2,5-дюймовые U.2/U.3 диски удобнее для горячей замены и масштабирования, но занимают больше места и обычно стоят несколько дороже.
• При ограниченном бюджете и менее критичных нагрузках всё ещё могут использоваться SATA SSD или HDD. Однако подавляющее большинство новых серверных проектов ориентировано на NVMe из-за его очевидных преимуществ.
• С учётом форм-фактора, M.2 (NGFF) – компактный, но может быть подвержен троттлингу без достаточного охлаждения. 2,5-дюймовый U.2/U.3 – короче пути для горячей замены, но нужен соответствующий бэкплейн и корзина внутри шасси сервера.
• На длительную перспективу стоит обратить внимание на современные планки NVMe M.2 PCIe 4.0 или даже PCIe 5.0 (при наличии поддержки в сервере). Они предлагают ещё более впечатляющие показатели, позволяя развивать ИТ-инфраструктуру в будущем.

В конечном счёте выбор определяется сочетанием технических требований, возможностей сервера и финансовых ограничений. Для критически важных рабочих нагрузок лучше выбирать NVMe Server Grade накопители с высокой надёжностью (MLC или особые серверные TLC), обеспечивающие долгий срок службы и стабильность работы. Впрочем, такое оборудование потребует и профессиональных условий — как, например, в нашем ЦОДе.

Резюме

NVMe стал настоящим прорывом в мире хранения данных, обеспечивая радикально улучшенную производительность и сниженные задержки по сравнению со старыми технологиями. Форм-фактор M.2 позволяет производить крайне компактные и в то же время сверхбыстрые накопители, хотя требует особого внимания к охлаждению при интенсивных нагрузках. 2,5-дюймовые решения (U.2/U.3) с поддержкой NVMe дают удобство в масштабируемости и горячей замене, что важно для корпоративных дата-центров.

При выборе между разными типами SSD желательно учитывать ряд факторов: тип используемой памяти, рабочую нагрузку, целевой бюджет, особенности серверной платформы и требования к надёжности. Для высокопроизводительных сред, больших баз данных, систем виртуализации и аналитики NVMe практически не имеет альтернативы, поскольку обеспечивает выдающуюся пропускную способность и мгновенный доступ к данным. В небольших или Legacy-системах, где производительность не является критичным параметром, можно обойтись и SATA SSD, но общая тенденция рынка указывает, что NVMe со временем вытесняет другие интерфейсы для серверной подсистемы хранения.

Таким образом, NVMe – это не просто «быстрые» диски, а целая инфраструктура и протокол, созданные на основе шины PCI Express для достижения максимально возможной скорости работы с флеш-памятью. В современных ЦОД и серверных решениях NVMe становится золотым стандартом, и администраторы высоконагруженных проектов всё чаще отдают предпочтение накопителям NVMe, чтобы обеспечить плавную и быструю работу интернет-сервисов, баз данных, систем аналитики и прочих приложений.

Подводя итог, ответ на вопрос «что лучше для сервера» – практически всегда NVMe, если позволяют бюджет и конфигурация. Конечно, конкретные детали зависят от масштаба и типа рабочих нагрузок, но уже сегодня ясно, что переход на NVMe даёт значительный выигрыш в производительности и открывает путь к дальнейшей модернизации, будь то внедрение PCIe 4.0, 5.0, более продвинутых систем RAID или распределённых решений хранения. NVMe уже прочно занял нишу в индустрии и будет продолжать расширять своё присутствие, становясь всё более доступным и надёжным для широкого круга серверных задач.