Cos'è l'NVMe?

Gli SSD NVMe possono offrire tempi di risposta più rapidi rispetto ai tradizionali hard disk (HDD) grazie a modifiche al driver del dispositivo che permettono parallelismo e polling. Questi miglioramenti contribuiscono a ridurre la latenza e le rendono ideali per i workload aziendali e per applicazioni consumer e professionali. Questa versatilità attraversa una vasta gamma di settori, dal gaming e le tecnologie mobili all'e-commerce, finanza e piattaforme sanitarie.

Oggi la domanda di soluzioni di storage scalabili e ad alte prestazioni continua a crescere. Secondo un report di Research and Markets, nel 2024 il mercato globale NVMe valeva 212 miliardi di dollari. Si prevede che il valore raggiungerà gli 888,9 miliardi di dollari entro il 2030, crescendo a un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 27% dal 2024 al 2030.¹

Intelligenza artificiale (AI), analytics dei big data e applicazioni di Internet of Things (IoT) stanno guidando questa espansione, con NVMe e altre tecnologie che permettono la velocità e l'efficienza richieste da questi carichi di lavoro.

NVMe è stato sviluppato dal 2008 al 2011 per sostituire i protocolli Serial Advanced Technology Attachment (SATA) e Serial Attached SCSI (SAS). I miglioramenti di NVMe rispetto ai concorrenti lo hanno reso lo standard del settore per lo storage ad alta velocità.

Oggi gli utenti esigono tempi di risposta più rapidi che mai dalle loro applicazioni. Il protocollo NVMe è stato creato per offrire un'esperienza all'avanguardia, ad alte prestazioni, con una larghezza di banda elevata e a bassa latenza, indipendentemente dal tipo di applicazione che un utente sta implementando.

Le SSD NVMe accedono allo storage flash principalmente tramite un bus Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) che rimuove il controller "intermedio". Tuttavia, NVMe può essere eseguito anche su qualsiasi tipo di interconnessione "fabric" (NVMe-oF), come Fibre Channel ed Ethernet, e all'interno di Ethernet, iWarp, RoCEv2, iSER e NVMe-TCP.

Gli SSD NVMe possono eseguire decine di migliaia di code di comandi parallele. Possono anche eseguire programmi a velocità superiori rispetto ai dischi collegati utilizzando il protocollo SCSI, che può distribuire una sola coda di comandi. Il metodo di connessione è indipendente dal protocollo. Ad esempio, gli SSD PCIe che utilizzano NVMe possono collegare un singolo disco con un collegamento PCIe che esegue il protocollo NVMe.

L'NVMe è stato creato per supporti di archiviazione non volatili e ad alte prestazioni, il che lo rende ideale per gli attuali ambienti esigenti e ad alta intensità di calcolo, come i software di editing grafico, gli ambienti di cloud computing, i firmware e i database di grandi dimensioni. L'NVMe è in grado di gestire i workload aziendali in modo rapido ed efficiente, con un'infrastruttura di dimensioni ridotte e una potenza inferiore rispetto al protocollo SCSI.

I dischi a memoria non volatile express (NVMe) e i dischi a stato solido (SSD) sono spesso utilizzati per descrivere due tipi di dischi diversi. Tuttavia, si tratta di tipi distinti di tecnologia di storage dei dati che possono essere utilizzati per migliorarsi a vicenda. 

Gli SSD sono dispositivi storage basati su semiconduttori che si affidano alla memoria flash per store dati persistenti nei sistemi informatici. In un SSD, ogni chip di memoria è costruito da blocchi che contengono celle (note anche come pagine o settori) che contengono bit di memoria. A differenza dello storage magnetico, come gli HDD e i lettori dischette che memorizzano dati tramite magneti, gli SSD utilizzano chip NAND . Questa tecnologia di storage non volatile non richiede alcuna alimentazione per conservare i dati.

Tutti i dispositivi NVMe sono SSD. Tuttavia, non tutte le SSD utilizzano la tecnologia PCIe; alcune SSD utilizzano ancora le vecchie interfacce SATA e SAS, originariamente progettate per i dispositivi HDD.

Per maggiori informazioni, controlla SSD e NVMe: qual è la differenza?

Quando i dischi rigidi (HDD) erano il metodo preferito nel settore per l'archiviazione e l'accesso ai dati, SATA e SAS erano soluzioni appropriate. SATA (Serial Advanced Technology Attachment) è stato progettato per collegare dispositivi di storage che utilizzano il protocollo ATA, mentre SAS (Serial Attached SCSI) è stato progettato come interfaccia basata su SCSI. Entrambi sono stati ottimizzati per la natura meccanica degli HDD.

Fino a poco tempo fa, la maggior parte delle unità SSD utilizzava SAS o SATA per connettersi al resto del sistema informatico. Tuttavia, con l'aumento della tecnologia a stato solido nel settore dello storage, SAS e SATA sono diventati sempre più scomodi perché sono progettati per HDD.

Infine, NVMe è stato progettato specificamente per gli SSD, e il suo protocollo è più snello rispetto a SCSI, rendendolo una soluzione migliore per le applicazioni in tempo reale, come machine learning (ML) e AI.

Con la crescente popolarità del cloud computing, NVMe supporta ambienti di storage di cloud ibrido, multicloud e mainframe grazie alle sue elevate prestazioni integrate e alla protezione dei dati.

NVMe (non-volatile memory express) è stato inventato come una migliore opzione di data storage e trasferimento dati rispetto al SATA per gli SSD in ambienti dove erano necessari trasferimenti di dati di grandi dimensioni senza rallentare i tempi di elaborazione. 

L'NVMe consente alle unità SSD di connettersi direttamente alla  CPU utilizzando il bus PCIe e un adattatore M.2 o U.2, come avviene per le unità SATA. NVMe permette agli SSD di collegarsi direttamente alla CPU tramite l'interfaccia PCIe, consentendo loro di leggere e scrivere rapidamente grandi volumi di dati.

Per ottenere prestazioni più elevate, l'NVMe definisce un'interfaccia di registro, un set di comandi e un gruppo di funzioni per le unità SSD basate su PCIe. Una volta connesso tramite il bus PCIe, il protocollo NVMe facilita la riduzione della latenza e contribuisce a ottimizzare le operazioni di I/O al secondo (IOPS). Le attuali unità NVMe utilizzano PCIe Gen 4 o Gen 5, consentendo le massime prestazioni.

I driver NVMe supportano molti tipi di sistemi operativi (OS), tra cui Windows, Linux e macOS. Infine, il protocollo NVMe supporta tutti i tipi di NVM, comprese le SSD abilitate alla tecnologia NAND flash. Inoltre, NVMe utilizza code di comandi parallele e un "ciclo di polling" anziché il driver di dispositivo basato su "interrupt" dei suoi predecessori. Questo approccio riduce la latenza e i costi generali del sistema, contribuendo a evitare i colli di bottiglia della CPU e a migliorare la produttività complessiva.

Un altro importante elemento di differenziazione delle specifiche NVMe è il fattore di forma, ovvero il modo in cui le dimensioni, la configurazione e il design fisico influiscono sulla sua compatibilità con altri dispositivi. Nel 2020, la Storage Networking Industry Association (SNIA) si è riunita per stabilire l'Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF), con l'obiettivo di istituire un framework concordato a livello di settore per la tecnologia SSD.

Il fattore di forma standard concordato per un'unità SSD era di 2,5 pollici, che si adattava facilmente all'alloggiamento della maggior parte dei laptop e desktop, rendendo le unità SSD NVMe altamente compatibili con la tecnologia esistente. Poiché l'unità da 2,5 pollici è ampiamente utilizzata in ambienti informatici sia consumer che commerciali, la sostituzione di un'unità HDD con una SSD NVMe è semplice e immediata per gli utenti che desiderano migliorare le prestazioni del proprio sistema.

M.2 è uno standard di connettore fisico ed è uno dei fattori di forma più utilizzati per gli SSD. Sebbene il termine venga spesso utilizzato nelle discussioni relative alle unità basate su NVMe, in questo contesto NVMe si riferisce al fattore di forma fisico piuttosto che al protocollo stesso.

Le SSD NVMe possono essere collegate a uno slot PCIe sulla scheda di sistema per ottenere le massime prestazioni. Tuttavia, M.2 è un fattore di forma compatto che consente una memorizzazione ad alte prestazioni in dispositivi sottili e leggeri, come laptop e tablet.

Per una spiegazione più approfondita di NVMe e M.2, legga: NVMe vs. M.2: qual è la differenza?

La memoria dinamica ad accesso casuale (DRAM) è un tipo di memoria ad accesso casuale (RAM) molto diffusa e utilizzata da personal computer (PC), server e workstation. Le unità SSD NVMe sono disponibili sia nella versione DRAM che senza DRAM. 

Le unità SSD NVMe con DRAM sono più costose e più veloci di quelle senza DRAM e rappresentano un'opzione migliore per applicazioni ad alta intensità grafica come i software di editing di foto o video. Le unità NVM senza DRAM sono più economiche e più lente, ma comunque molto più veloci degli HDD o delle SSD SATA. Questi aspetti le rendono buone opzioni per gli utenti che non hanno bisogno di molta velocità o prestazioni per le applicazioni che stanno eseguendo.

NVMe-oF (non-volatile memory express over fabric) è una specifica di protocollo che collega gli host allo storage condiviso tramite fabric di rete (ad esempio, Ethernet, Fibre Channel, RDMA), consentendo comunicazioni ad alta velocità e bassa latenza.

Mentre NVMe si collega direttamente tramite PCIe con un unico disco e un solo host, i server NVMe su Fabrics funzionano tra reti con una portata maggiore. NVMe-oF non ha sostituito NVMe, ma piuttosto lo integra consentendo le prestazioni NVMe su storage condiviso collegato alla rete.

Ecco alcuni dei principali vantaggi dello storage NVMe rispetto alle unità SSD SAS o SATA:

• Prestazioni migliori: la tecnologia NVMe può utilizzare un PCIe per collegare lo storage SSD direttamente a un server o unità di elaborazione centrale/processore (CPU). Questo netto miglioramento delle prestazioni di NVMe l'ha resa l'opzione preferita per lo storage e il trasferimento dei dati per i giocatori, gli editor video e altri utenti che richiedono prestazioni superiori a quelle offerte dagli HDD SAS o SATA.

• Velocità più elevata: le unità NVMe possono offrire velocità molto più elevate rispetto alle unità SAS o SATA perché possono inviare e ricevere comandi NVMe più velocemente e garantire una velocità effettiva maggiore.

• Maggiore compatibilità: NVMe offre prestazioni significative rispetto a SAS/SATA ed è frequentemente aggiornato per supportare tecnologie critiche e in rapida evoluzione, come AI, ML e cloud computing. È supportato da sistemi operativi moderni (OS), incluse piattaforme mobili, ed è utilizzato in laptop e console di gioco.

• Larghezza di banda migliorata: la connessione PCIe è più ampia e ha una larghezza di banda maggiore rispetto alle porte SAS o SATA. Migliora anche con ogni generazione, raddoppiando la larghezza di banda rispetto alla generazione precedente. SAS e SATA hanno connessioni con larghezza di banda inferiore e sono fisse, quindi non migliorano nel tempo. Un'altra caratteristica che distingue le connessioni PCIe è la loro scalabilità in "corsie", quindi anche nella stessa generazione, gli utenti possono raddoppiare la larghezza di banda con il doppio numero di corsie. Per un approfondimento su NVMe e SATA, consulta “NVMe versus SATA: Qual è la differenza?

La bassa latenza di NVMe, l'efficienza energetica e la capacità di memorizzare e trasferire dati a un ritmo più veloce rispetto ai dischi SAS e SATA lo rendono una scelta solida sia per usi aziendali che per consumatori. Oltre a migliorare le prestazioni e la capacità di data storage, gli SSD NVMe sono più ampiamente disponibili rispetto agli SSD SAS o SATA e sono disponibili da aziende di consumo, tra cui Intel e Samsung.

Ecco alcuni casi d'uso comuni delle unità NVMe.

L'elevata velocità, la programmabilità e la capacità di gestire l'elaborazione parallela di NVMe lo rendono ideale per una vasta gamma di applicazioni di calcolo ad alte prestazioni (HPC ), tra cui trading ad alta frequenza, AI e ML.

Molte applicazioni all'avanguardia richiedono una profondità di coda piuttosto elevata per l'archiviazione. A differenza dei suoi predecessori SAS/SATA, NVMe può contenere fino a 65.000 code e comandi per coda, permettendo di elaborare molti più comandi simultaneamente. 

Le unità SSD NVMe consentono ai data center di espandere la capacità di data storage e di offrire prestazioni più elevate a un prezzo paragonabile a quello delle unità SSD SATA, inducendo molte aziende moderne a effettuare questo passaggio.

Secondo un report di Enterprise Strategy Group, quasi tre quarti delle organizzazioni utilizzano storage su unità SSD basate su NVM o intendono implementarlo nei prossimi 12 mesi.²

Che si tratti di montare un video di famiglia o di lavorare a un lungometraggio animato, le velocità di trasferimento dati più elevate di NVMe accelerano notevolmente l'editing video. In poche parole, la modifica e il rendering di una scena in un software di editing video generano una grande quantità di dati. Un'unità SSD NVMe è in grado di gestire tutti questi dati senza rallentare il processo.

L'implementazione dell'NVMe nelle applicazioni DevOps containerizzate ha ridotto i tempi delle build di grandi dimensioni e velocizzato le iterazioni nella codifica per molti sviluppatori. 

NVMe sta anche rendendo lo sviluppo più veloce e meno costoso, aiutando i team ad avviare le app più velocemente con una gamma più ampia di strumenti a disposizione.

I sistemi basati su NVMe accelerano le prestazioni delle applicazioni e riducono il numero di server fisici necessari per i database relazionali, consentendo alle organizzazioni di elaborare le query in modo più efficiente e a costi infrastrutturali inferiori.

Negli ambienti virtualizzati (ad esempio, VMware, VDI), NVMe riduce la latenza e elimina i colli di bottiglia I/O che si verificano quando più macchine virtuali competono per le risorse di storage.

Inoltre, NVMe consente di elaborare migliaia di comandi contemporaneamente, consentendo ai server di supportare più VM mantenendo velocità e affidabilità.

Gli SSD NVMe ad alta velocità accelerano l'addestramento di modelli di ML e AI fornendo un accesso rapido a grandi set di dati. Questo supporta l'elaborazione del linguaggio naturale (NLP) e l'analytics predittiva, dove è necessario il processo decisionale in tempo reale per i workload legati alla diagnostica medica basata sull'AI e alla modellazione finanziaria.