NVMeはメモリとストレージの違いを消去します

ストレージの歴史は、ストレージと処理能力の間の競争です。コンピューターの涅槃に向かう途中で、ボトルネックがあります-何十億もの0と1のストレージです。この分野の最新のプレーヤーは、 Non-Volatile Memory Express（NVMe）です。これは、以前のいくつかの技術ソリューションのハイブリッドのようなものです。



第一世代の家庭用コンピュータは、ストレージデバイスとしてフロッピーディスクと コンパクトカセットを使用していました しかし、コンピューターが成長するにつれて、ストレージの重要性も高まりました。 1990年代までに、ハードドライブが普及し、最初のメガバイト、次にギガバイトの情報を保存できるようになりました。その結果、ドライブとシステムの他の部分との間の高速通信システムの必要性が高まっています。当時、ATA（IDE）インターフェイスは、プログラムド入出力（PIO）モードで最も一般的に使用されてい ました。



その結果、テクノロジはダイレクトメモリアクセス（DMA）、UltraATAおよびParallelATAとも呼ばれるUDMA、およびAppleコンピュータとほとんどのサーバーのSCSIベースのインターフェイスに移行しました。その結果、ParallelATAはSerialATA（SATA）になり、ParallelSCSIはSerialAttached SCSI（SAS）になりました。 SATAは、NVMeとソリッドステートドライブが登場する前は、主にラップトップとデスクトップで使用されていました。



これらのインターフェイスはすべて、ストレージデバイスに対応するように設計されています。この意味で、NVMeは、システムに統合されているため、全体像が見えません。NVMeは、特定のインターフェイスやコネクタに関連付けられていないという点でも異なり、混乱を招く可能性があります。SATAまたはNVMeのどちらのプロトコルを使用するかは言うまでもなく、M.2とU.2を分離できるのは誰ですか？



NVMeの素晴らしくて奇妙な世界を理解しましょう。

欺瞞的な外観

機能的にはM.2と同様のSATAExpress要素。



マザーボードのNVMeスロットを見せてくれるように誰かに頼んでください。そうすれば、M.2スロットが家電製品で最も人気のあるソリッドステートドライブ（SSD）になっているので、おそらくその写真が表示されます。同時に、ソリッドステートドライブが挿入されたM.2スロットでさえ、このインターフェイスもSATAを使用しているため、NVMeに属していない可能性があります。



M.2スロットの横にあるボードは、多くの場合、サポートするテクノロジーを示しています。マザーボードの説明を読むこともお勧めします。混乱の理由は、最初はTTN用のMini-SATA（mSATA）標準があり、PCIeミニカードフォームファクターを使用していましたが、後にM.2フォームファクターとU.2インターフェイスに進化しました。後者はSATAおよびSASインターフェースに似ており、2つのチャネル（SATAおよびPCIe）を1つのインターフェースに結合してTTNを接続します。



一方、M.2標準（短命のSATA Express標準への短いエクスカーションの後）は、SATAだけでなくAHCIもサポートするために拡張されました NVMeで。したがって、実際にはNVMeがフォームファクタやコネクタタイプを定義しないPCIeベースのプロトコルである場合、M.2スロットは誤って「NVMeスロット」と呼ばれることがよくあります。





M.2はBキーとMキーを備えています。



それまでの間、M.2フォームファクタ自体は非常に用途が広く、混乱を招きます。他の人と同じです。物理的には、幅が12、16、22、30 mmで、サポートの長さが16〜110mmです。スロットの端には、機能を示し、スロット自体のラベルと一致する一連のラベルが貼られています。ほとんどの場合、これらはキーマークのリストにあるBマークとMマークであり、たとえば、次のものが含まれます



。A：2x PCIe x1、USB 2.0、I2C、およびDPx4。

B：PCIe x2、SATA、USB 2.0 / 3.0、オーディオなど。

E：2x PCIe x1、USB 2.0、I2Cなど。

M：PCIe x4、SATAおよびSMBus。



M.2拡張カードの物理的なサイズは32枚にもなることがわかりました。これは、リストから12の可能な変更を考慮する前でもあります。幸いなことに、一般的な業界では、長さが制限されたストレージカードに一般的な22mm幅の標準を採用しているようです。その結果、NVM​​e TTNは「2242」とマークされます。これは、幅22 mm、長さ42mmを意味します。TTNカードには、B、M、またはその両方の文字を付けることができます。



今日、M.2スロットは窮屈な状況でPCIe拡張として積極的に使用されていることに注意することが重要です。したがって、WiFiカードは多くの場合M.2フォームファクタにあります。

NVMeの定義

これにより、NVMeの基本的な定義がわかります。これは、直接接続されたPCIeドライブの標準インターフェイスです。 SATAとは異なり、前者はPCIeプロトコルをSATAプロトコルに変換します。SATAプロトコルは、データストレージに関連するコマンドを実行する前に、ドライブ上の特別なチップによって解釈される必要があります。



代わりに、NVMeは、NVMeドライバーを備えた任意のOSで直接使用できるインターフェイスを定義します。コマンドはNVMeドライブに送信され、NVMeドライブは、読み取り、書き込み、またはTRIMなどの何らかのメンテナンス操作を実行するためにコマンドを実行します。 ..。 NVMeデバイスであると主張するデバイスはすべてTTN（NANDフラッシュ、3D XPointなど）であると信頼できるため、NVMeプロトコルは低遅延と高パケット転送速度を念頭に置いて設計されています。





3DXPointのようなIntelのOptaneSSDは、ワークロードに関係なくスムーズに動作します。



最近、ローカルメモリバッファ、ホストメモリバッファ（HMB）などのNVMe機能が人気を博しました 。これは、NANDフラッシュタイプのTTNを使用してDRAMにデータをバッファリングする必要性を取り除く試みです。この機能は、システムメモリの一部をバッファとして使用しますが、パフォーマンスの低下は比較的少なく、バッファは主にアドレステーブルのキャッシュに 使用されます。



長期的には、ストレージ開発のペースを考えると、3DXPointなどのテクノロジーによってそのようなトリックも不要になります。同じ3DXPointへのアクセス速度は、NANDフラッシュよりもDRAMに近いです。3D XPointタイプのTTNはDRAMバッファーを必要としないため、人気が高まると、NVMeがすでに最適化されている可能性があります。

NVMeのハッキング

磁気コアメモリ64×64（4 kB）



TTNを購入してM.2 BまたはM.スロットに入れる方法を除いて、NVMeで他に何ができるかを考える価値があります。そこで何を決定する必要があります。ドライブをハッキングする（DRAMまたはSRAMのようなものにする）か、M.2スロット自体をハッキングするのがあなたにとってより興味深いものです。



フルレングスのPCIeスロットは大きく、拡張カードはBGAチップや巨大な冷却システムなどのかさばるコンポーネントのための十分なスペースを提供します。それどころか、M.2拡張カードは、ラップトップに収まる小型でコンパクトなソリューション向けに設計されています。たとえば、FPGAをM.2フォームファクタの必要なSerDesおよびPCIeハードウェアと組み合わせて、ラップトップおよび組み込みデバイス用のコンパクトな拡張カードを作成できます。



最近のハッキングでは、Raspberry PiにNVMeサポートを 追加し、Pinebook ProのTTNをWiFiカードに置き換え、 PCIeZIFアダプターを使用してiPhoneからNVMeフラッシュドライブを 読み取ることを提案し ています。



同時に、非常に奇妙なもの、たとえば磁気コア上のNVMeドライブを組み合わせようとすることを禁止する人は誰もいません。

結論

何十年にもわたるコンピューティングテクノロジーを振り返ると、メモリとストレージの違いが常に存在していたことは明らかです。さらに、メモリは常にSRAMやDRAMなどの揮発性デバイスとして機能してきました。最近、この区別はますます重要ではなくなっています。 NVMeインターフェースを備えたNANDフラッシュは、潜在的に非常に低い遅延と数ギガバイト/秒の速度（特にPCIe 4.0を使用）をすでに約束していますが、これで終わりではありません。



最もホットな新機能は、通常のメモリスロットに配置されている「読み取り専用メモリ」DIMMです。彼らはソリッドステートテクノロジーを使用してい ますモジュールあたり最大512GBのシステムメモリを拡張するためのIntelOptane。もちろん、これらのモジュールは、これまでのところIntelサーバーでのみ機能します。これらはデータベースのバッファリングに使用され、その大容量では通常のメモリをバッファとして使用できません（たとえば、テラバイトのDDR4 DIMM）。



プロセッサのメモリコントローラに直接接続された非常に高速で不揮発性のストレージデバイスがある場合、レイテンシを最小限に抑えることができます。3D XPoint（相変化メモリの一種）はまだDDR SDRAMほど高速ではありませんが、「システムメモリ」と「データストレージ」の違いが完全になくなったり、認識できなくなったりすると、NVMeの後に何が表示されるかがわかります。