ما المقصود بالذاكرة السريعة غير المتطايرة (NVMe)؟

تم تطوير NVM Express من عام 2008 إلى عام 2011 لتحل محل بروتوكولات ملحق التقنية المتقدمة التسلسلي (SATA) وبروتوكولات SCSI الملحقة المتسلسلة (SAS). وقد أسهمت التحسينات التي طرأت على NVMe في زمن الانتقال والأداء مقارنةً بمنافسيها في تطوير تقنيات مهمة أخرى، بما في ذلك إنترنت الأشياء (IoT) والذكاء الاصطناعي (AI) والتعلم الآلي (ML). 

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 أقراص SSD المستندة إلى NVMe إلى وحدة تخزين الذاكرة الوميضية بشكل أساسي من خلال ناقل التوصيل البيني السريع بين المكونات الطرفية (PCIe) الذي يزيل وحدة تحكم "middle man"، ما يقلل من زمن الانتقال. ومع ذلك، يمكن أيضًا تشغيل NVMes على أي نوع من الوصلات البينية "النسيجية" —مثل قناة الألياف والإيثرنت—وداخل الإيثرنت وiWarp وRoCEv2 وiSER وNVMe-TCP.

يمكن لمحركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe تشغيل عشرات الآلاف من قوائم انتظار الأوامر المتوازية وتشغيل البرامج بسرعات أعلى من محركات الأقراص المتصلة باستخدام بروتوكول SCSI، والذي يمكنه نشر قائمة انتظار أوامر واحدة فقط.وتكون طريقة الاتصال منفصلة عن البروتوكول؛ على سبيل المثال يمكن لتقنية التوصيل البيني السريع بين المكونات الطرفية المستند إلى NVMe الاتصال بمحرك أقراص واحد من خلال رابط التوصيل البيني السريع بين المكونات الطرفية الذي يقوم بتفعيل بروتوكول NVMe.

تم تصميم NVMe لوسائط التخزين عالية الأداء وغير المتطايرة، ما يجعلها مثالية لبيئات اليوم كثيرة المتطلبات وكثيفة الحوسبة مثل برامج تحرير الرسومات وبيئات الحوسبة السحابية والبرامج الثابتة وقواعد البيانات الكبيرة. يتعامل بروتوكول NVMe مع أحمال عمل المؤسسة بسرعة وكفاءة باستخدام بصمة بنية تحتية أصغر وطاقة أقل مقارنة ببروتوكول SCSI.

في حين أن محركات الأقراص الثابتة كانت الطريقة المفضلة لتخزين البيانات والوصول إليها، فإن SATA وSAS كانتا حلين مناسبين. وقد تم تصميم كلتا التقنيتين كواجهات تخزين SCSI لتسهيل نقل البيانات من محركات الأقراص الصلبة وإليها. حيث تقوم SAS بتوصيل محرك أقراص واحد من خلال منفذ SAS يعمل ببروتوكول SCSI الذي يتصل بعد ذلك برابط PCIe. بينما تقوم SATA بتوصيل محرك أقراص واحد من خلال منفذ SATA يعمل ببروتوكول ATA عبر وحدة تحكم ATA والتي تتصل بعد ذلك برابط PCIe.  

وحتى وقت قريب، كانت معظم محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة تستخدم SAS أو SATA للاتصال ببقية نظام الكمبيوتر. ولكن، مع ظهور تقنية الحالة الصلبة في مجال التخزين، أصبحت SAS وSATA غير ملائمة بشكل أكبر، حيث تم استخدامها مع محركات الأقراص الثابتة. وفقًا لتقرير شركة البيانات الدولية (IDC) لعام 2023، تم تصميم NVMe لتسريع نقل البيانات إلى الأنظمة المتصلة عبر ناقل PCI Express، وهو ناقل توسعة تسلسلي قياسي لتوصيل الكمبيوتر بجهاز طرفي واحد أو أكثر^.1

وإلى جانب حقيقة أنه صُمم خصوصًا للاستخدام مع محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة، فإن بروتوكول NVMe أكثر انسيابية من SCSI، ما يجعله حلاً أفضل للتطبيقات في الوقت الفعلي، مثل التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي. ومع تزايد شعبية بيئات الحوسبة السحابية ، أصبحت NVMe أيضًا في وضع جيد لدعم بيئات تخزين السحابة الهجينة والسحابة المتعددة والحواسيب المركزية بسبب أدائها العالي المدمج وقدرتها على حماية البيانات. 

فيما يلي بعض مزايا استخدام تخزين NVMe عبر محركات أقراص SAS أو SATA:

أداء أفضل: يمكن لتقنية NVMe استخدام PCIe لتوصيل وحدة تخزين SSD مباشرةً بخادم أو وحدة معالجة مركزية (CPU). أدى هذا التحسن الملحوظ في الأداء إلى جعل تقنية NVMe الخيار المفضل لتخزين/نقل البيانات للاعبين ومحرري الفيديو وغيرهم من المستخدمين الذين يحتاجون إلى أداء أعلى مما يمكن أن تقدمه محركات الأقراص الصلبة أو 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.

تحسين التوافق:تُعد NVMe خيارًا أكثر توافقًا من SAS/SATA، ويتم تحديثه باستمرار مع تطوره إلى جانب التقنيات المهمة وسريعة الخطى مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي والحوسبة السحابية. يمكن أن تعمل تقنية NVMe بسلاسة مع جميع أنظمة التشغيل الحديثة، بما في ذلك الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الألعاب.

تعزيز عرض النطاق الترددي: يتميز اتصال PCIe بعرض نطاق ترددي أوسع وأكبر مقارنة بمنافذ SAS أو SATA. كما أنه يتحسن مع كل جيل، ما يضاعف عرض النطاق الترددي للجيل السابق. تتمتع SAS وSATA بتوصيلات ذات عرض نطاق ترددي أقل وثابتة، لذا فهي لا تتحسن بمرور الوقت. وثمة ميزة أخرى تجعل اتصالات PCIe متميزة عن غيرها وهي أنها قابلة للتوسع في "الممرات"، لذا يمكن للمستخدمين حتى في الجيل نفسه مضاعفة عرض النطاق الترددي بضعف عدد الممرات. 

لمزيد من المعلومات حول NVMe وSATA، راجع "أوجه الاختلاف بين NVMe وSATA

كانت SATA تُستخدم مع جميع أنظمة تخزين الأقراص الثابتة حتى ظهور محركات أقراص الحالة الصلبة وتخزين الذاكرة الوميضية. ومع ذلك، نظرًا لأن تطبيقات الهاتف المحمول وألعاب الفيديو والتقنيات الجديدة مثل الذكاء الاصطناعي زادت من الطلب على بيئات الحوسبة، أصبحت قيود SATA واضحة. وعلى وجه التحديد، بدأت سرعة SATA المنخفضة وعرض النطاق الترددي في إبطاء عمليات نقل البيانات الكبيرة التي كانت أساسية لوظائف التطبيقات الجديدة.

تم تصميم NVMe كخيار تخزين / نقل بيانات أفضل من SATA لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة في البيئات التي تتطلب عمليات نقل بيانات كبيرة من دون إبطاء أوقات المعالجة.  تمكن NVMe محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة من الاتصال مباشرة بوحدة المعالجة المركزية باستخدام ناقل PCIe ومحول M.2 أو U.2 - كما هو الحال مع محرك أقراص SATA. وتسمح NVMe لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة بالاتصال مباشرة بوحدة المعالجة المركزية وقراءة كميات كبيرة من البيانات وكتابتها بسرعة.  

لتحقيق أداء أعلى، تحدد NVMe واجهة تسجيل ومجموعة أوامر ومجموعة من الميزات لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة المستندة إلى PCIe. وبمجرد الاتصال من خلال ناقل PCIe، يسهل بروتوكول NVMe زمن الانتقال المنخفض ويساعد على تحسين عمليات الإدخال / الإخراج في كل ثانية (IOPS).

تدعم محركات NVMe العديد من أنواع أنظمة التشغيل، بما في ذلك Windows وLinux وMacOS. كما أن بروتوكول NVMe يدعم جميع أنواع NVMe، بما في ذلك محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة الممكّنة لـ NAND. وأخيرًا، تستخدم NVMe قوائم انتظار الأوامر المتوازية و"حلقة استطلاع" بدلاً من برنامج تشغيل الجهاز القائم السابق على "مقاطعة التشغيل"، ما يقلل من زمن الاستجابة ويخفض النفقات العامة للنظام ويساعد على تجنب عوائق وحدة المعالجة المركزية - كما هو الحال عندما تعمل بطاقة الرسومات بشكل أسرع من وحدة المعالجة المركزية الأساسية. 

أشكال محركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe

ثمة عامل آخر مهم آخر يميز مواصفات NVMe وهو عامل الشكل، أو الطريقة التي يؤثر بها الحجم والتكوين والتصميم المادي في توافقها مع الأجهزة الأخرى. في الآونة الأخيرة، 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 كل 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.

محركات الأقراص m.2 NVMe

تُعد محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة M.2 عامل شكل مادي آخر أو موصلاً آخر مستخدمًا في محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة. على الرغم من أن المصطلح غالبًا ما يُستخدم بالتبادل مع NVMe، إلا أنهما نوعان مختلفان من تقنيات التخزين. فبينما يتم توصيل محركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe بفتحة PCIeslot على اللوحة الأم، ما يمنحها معدلات نقل بيانات أعلى بكثير من منافسيها، فإن محركات الأقراص m.2 هي عامل شكل مادي أو موصل يتيح التخزين عالي الأداء في الأجهزة الصغيرة ذات الطاقة المحدودة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية فائقة النحافة.

NVMe وذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية

ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) هي نوع من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) يستخدم على نطاق واسع، والتي تعتمد عليها أجهزة الكمبيوتر الشخصية والخوادم ومحطات العمل. وتأتي محركات أقراص SSDs المستندة إلى NVMe في كل من النوعين DRAM وأنواع أقل من DRAM. تُعد محركات أقراص SSD المستندة إلى NVMe المزودة بذاكرة DRAM أغلى وأسرع من تلك التي لا تحتوي على ذاكرة DRAM، وهي خيار أفضل للتطبيقات كثيفة الرسوم مثل برامج تحرير الصور أو الفيديو. تُعد أجهزة NVMs التي لا تحتوي على ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية (DRAM ) أقل تكلفة وأبطأ، ولكنها تظل أسرع بكثير من محركات الأقراص الثابتة أو محركات أقراص SSDs المستندة إلى SATA، ما يجعلها خيارات ممتازة للمستخدمين الذين لا يحتاجون إلى نفس السرعة أو الأداء للتطبيقات التي يقومون بتشغيلها.