NVMe frente a SATA: ¿cuál es la diferencia?

Hoy en día, desde jugadores y editores de video hasta ejecutivos de empresas de software que lanzan aplicaciones en la nube exigen soluciones más rápidas para el almacenamiento de datos. La razón es sencilla: mejores tecnologías de almacenamiento significan entornos informáticos más rápidos y de mayor rendimiento. Para los jugadores, esto significa menos tiempo de retardo; para los editores, renderizaciones de video más cortas; y para las empresas, cargas de trabajo más rápidas y fluidas en la nube. 

Desafortunadamente, elegir la solución correcta puede ser difícil. Términos desconocidos, especificaciones técnicas complejas y un número aparentemente interminable de opciones potenciales enturbian el panorama. Para reducir el campo y ayudar a los usuarios a encontrar la solución adecuada para sus necesidades, estamos analizando dos de las tecnologías de almacenamiento de datos más populares disponibles: NVMe y SATA.

• NVMe (memoria no volátil exprés) es un protocolo para la transferencia de datos altamente paralela con sobrecargas de sistema reducidas por entrada/salida (E/S) que se emplea en almacenamiento flash y unidades de estado sólido(SSD).
• SATA (Serial Advanced Technology Attachment) es un protocolo que prescribe cómo se mueven los datos entre una computadora y un dispositivo de almacenamiento, como una unidad de disco duro (HDD).

Tanto los protocolos NVMe como SATA admiten SSD, una tecnología que estuvo reemplazando las HDD como estándar de la industria para aplicaciones de consumo y profesionales y cargas de trabajo empresariales durante la última década. A diferencia de las HDD, que tienen latencia y tiempo de acceso inherentes, las SSD dependen de la memoria flash y no tienen partes móviles, lo que los hace mucho más rápidos.

Las SSD son dispositivos de almacenamiento basados en semiconductores que dependen de la memoria flash para almacenar datos persistentes en sistemas informáticos. A diferencia del almacenamiento magnético (como las HDD y los disquetes) que almacenan datos mediante imanes, las unidades de almacenamiento de estado sólido usan chips NAND, una tecnología de almacenamiento no volátil que no requiere una fuente de energía para mantener sus datos. Según un informe reciente de Gartner (enlace externo a ibm.com), en la actualidad, las SSD están superando a las HDD como la referencia preferida del sector para cargas de trabajo de datos estructurados.

NVMe (memoria exprés no volátil) es un protocolo de acceso y transporte de almacenamiento de datos para SSD que transmite mejor rendimiento y tiempos de respuesta más rápidos que sus competidores. Fue creado para medios de almacenamiento no volátil de alto rendimiento, lo que lo convierte en una excelente solución para los entornos informáticos más exigentes de la actualidad.

NVMe puede desplegar cargas de trabajo empresariales con una infraestructura más pequeña y menos energía que la interfaz de sistema informático pequeño (SCSI), ampliamente utilizada. Las unidades NVMe pueden ofrecer mejores tiempos de respuesta que las HDD debido a las mejoras en el controlador del dispositivo, lo que permite el paralelismo y el sondeo, y ayuda a reducir la latencia para evitar cuellos de botella en la CPU.

La tecnología de almacenamiento de NVMe se diseñó para reemplazar los protocolos Serial Advanced Technology Attachment (SATA) y Serial Attached SCSI (SAS), que eran el estándar de la industria hasta la introducción de NVMe en 2011. Además de su mejora en la capacidad de almacenamiento de datos y la tecnología de transferencia, NVMe también contribuyó al desarrollo de otras tecnologías importantes que se desarrollaban alrededor de la misma época, como el Internet de las cosas (IoT), la inteligencia artificial (IA) y el machine learning (ML).

Bus Peripheral Component Interconnect Express (PCIe)

Una de las diferencias más importantes entre las SSD NVMe y las SSD SATA es que las SSD NVME emplean un bus PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) para acceder al almacenamiento flash. Esta característica permite que una SSD de NVMe elimine el controlador "intermediario", lo que ayuda a reducir la latencia. Sin embargo, las de NVMe también pueden funcionar en cualquier tipo de interconexión "fabric", como Fibre Channel y Ethernet, y dentro de Ethernet, iWarp, iSER y NVMe-TCP.

Colas de comandos paralelas

A diferencia de las unidades que emplean el protocolo SCSI, que solo pueden desplegar una única cola de comandos, las SSD NVMe pueden ejecutar decenas de miles de colas de comandos paralelas a la vez. Con las SSD NVMe, el método de conexión es independiente del protocolo; por ejemplo, el conector PCIe NVMe puede acceder a una sola unidad a través de un enlace PCIe que ejecuta el protocolo NVMe.

Unidades NVMe m.2

Las SSD M.2 son un factor de forma o conector utilizado en las SSD. Aunque el término se emplea a menudo indistintamente con NVMe, son diferentes tipos de tecnología de almacenamiento. Mientras que NVMe se acopla a una ranura PCIe de una placa base, lo que aumenta sus velocidades de transferencia de datos, las SSD m.2 NVMe son un factor de forma físico que permite el almacenamiento de alto rendimiento en dispositivos pequeños y de consumo limitado, como computadoras portátiles y tabletas ultrafinas.

Durante la última década y media, SATA (Serial Advanced Technology Attachment) fue la interfaz más popular para mover datos entre la placa de circuito de una computadora y un dispositivo de almacenamiento interno o externo. Hasta hace poco, casi todas las computadoras de escritorio y portátiles contenían hardware compatible con SATA. Sin embargo, con el creciente auge de las SSD y el desarrollo de la tecnología NVMe diseñada específicamente para ellas, la popularidad de SATA comenzó a disminuir en los últimos años.

SATA se lanzó en 2003 como una mejora de Parallel Advanced Technology Attachment (PATA), un estándar de la industria para disquetes internos, HDD y unidades de disco óptico. Cuando las especificaciones del protocolo SATA se publicaron por primera vez en 2003, inmediatamente se hizo evidente que tenía varios beneficios clave sobre las interfaces PATA, incluidas las siguientes:

• Las velocidades de transferencia de datos más rápidas permiten reducir los tiempos de carga de programas y documentos, y mejorar la calidad de imagen.
• Las opciones de cable más compactas permiten un enrutamiento de cables más fácil y una mejor ventilación de la computadora.
• Las conexiones de menor voltaje ayudan a reducir la distorsión y la diafonía.
• Señalización diferencial para la transferencia de datos a alta velocidad con menos consumo de energía. 

Sin embargo, una de los beneficios que SATA todavía tiene sobre NVMe es su compatibilidad con hardware más antiguo. Los HDD y SSD SATA se conectan a una placa base a través del hardware del controlador. En su configuración más simple (modo IDE), el disco duro conectado se puede reconocer como un dispositivo PATA. Esto permite una mayor compatibilidad con sistemas más antiguos, pero con una disminución en el rendimiento cuando la unidad SATA está en modo IDE.

Si la compatibilidad con un dispositivo antiguo no es un requisito, los usuarios pueden configurar un controlador SATA en modo AHCI (Advanced Host Controller Interface) para obtener un mejor rendimiento. El modo AHCI también admite interfaces externas e intercambio de unidades en caliente, es decir, quitar y poner unidades sin apagar el equipo.

Otro modo SATA, el modo Redundant Array of Independent Disks (RAID), ofrece una capa adicional de protección de datos al brindar a los usuarios la capacidad de almacenar copias de los mismos datos en diferentes ubicaciones, como múltiples HDD o SSD. 

SATA externo

SATA externo (eSATA) es otra característica importante de la tecnología SATA que proporciona soporte para unidades externas a través de zonas de complemento especificadas llamadas puertos. eSATA es más rápido que sus competidores y compatible con muchas tecnologías de unidades de disco existentes, como discos duros, unidades de disquete, unidades extraíbles, Blu-rays, CD-ROM y DVD. Hay muchos usos comunes para las unidades eSATA, incluida la edición de video y audio y la copia de seguridad de datos.

En una comparación directa en la que solo se tienen en cuenta la velocidad y el rendimiento, el protocolo NVMe es muy superior a SATA. Mientras que SATA se diseñó como una interfaz de almacenamiento SCSI para facilitar la transferencia de datos específicamente hacia y desde HDD, NVMe se diseñó específicamente para su uso con SSD que usan tecnología flash.

Según un informe de 2023 de International Data Corporation (IDC) (enlace externo a ibm.com), NVMe se diseñó para acelerar la transferencia de datos a sistemas conectados a través de PCI express (PCIe), un bus de expansión en serie que es estándar para conectar una computadora a uno o más dispositivos periféricos.

Debido a sus diferencias de diseño, NVMe está mejor equipado para emplear sockets PCIe y transferir datos entre el almacenamiento y una CPU que SATA. Cuando las HDD seguían siendo el estándar de la industria para almacenar y acceder a datos, SATA tenía sentido, pero a medida que las SSD comenzaron a ser más populares, NVMe se convirtió rápidamente en una mejor opción para la mayoría de los usuarios. Además, el protocolo optimizado de NVMe lo hace más adecuado que SATA para aplicaciones en tiempo real, como ML e IA, cuya popularidad aumentó en los últimos años. NVMe también está bien posicionado para admitir entornos de almacenamiento en la nube híbrida, multinube y mainframe debido a su alto rendimiento y protección de datos integrados.

Sin embargo, todavía hay algunos casos en los que SATA tiene sentido para ciertos usuarios. Por ejemplo, SATA sigue siendo más asequible que NVMe, aunque la popularidad de las SSD NVMe está haciendo bajar el precio. A continuación, se presenta una comparación de las dos tecnologías por capacidad.

Velocidad y rendimiento

Las SSD de NVMe pueden ofrecer velocidades y rendimiento mucho más altos que las SSD SATA porque pueden enviar y recibir comandos de NVMe más rápido y ofrecer un mejor rendimiento. Mientras que las SSD de NVMe emplean PCIe para conectar el almacenamiento SSD directamente a un servidor o unidad central de procesamiento (CPU), las SSD SATA emplean la interfaz de bus Serial ATA Express, que es más lenta.

Ancho de banda

La conexión PCIe que utiliza NVMe es más grande y tiene más ancho de banda que un puerto SATA. Adicionalmente, cada generación de PCIe duplica el ancho de banda de la generación anterior. SATA, por otro lado, tiene conexiones de menor ancho de banda que PCIe y es fijo, por lo que las conexiones no mejoran con generaciones concurrentes. Las conexiones PCIe también son más escalables que SATA porque utilizan “carriles” que permiten a los usuarios duplicar el ancho de banda en la misma generación.

Paralelismo

Una de las características más importantes de NVMe es su capacidad para ejecutar operaciones simultáneas a la vez en varios subprocesos, lo que se conoce como paralelismo. Las SSD NVMe tienen una profundidad de cola de 64 000, mientras que SATA solo puede admitir 32 solicitudes de E/S en una cola en cualquier momento. NVMe emplea colas de comandos paralelas y un "bucle de sondeo" en lugar del controlador de dispositivo basado en "interrupciones" de sus predecesores, lo que reduce la latencia y los gastos generales del sistema.

Compatibilidad

Cuando se trata de tecnologías más recientes, como IA, ML y la nube, NVMe es una opción mucho más compatible que SATA, ya que se desarrolló en paralelo a esas tecnologías durante el mismo periodo. La tecnología NVMe puede funcionar sin problemas con todos los sistemas operativos modernos, incluidos teléfonos móviles, computadoras portátiles y consolas de juegos. Sin embargo, cuando se trata de compatibilidad con tecnologías más antiguas (como discos duros), muchos dispositivos antiguos que admiten SATA no son compatibles con NVMe porque carecen de las conexiones necesarias para los sockets PCIe de NVMe.

Costo

Si bien tanto NVMe como SATA se volvieron más asequibles en los últimos años, las SSD SATA siguen siendo algo más asequibles. Por ejemplo, una unidad SATA Samsung de 1 TB y 2.5 pulgadas cuesta un poco más de 100 USD, mientras que su equivalente en NVMe cuesta alrededor de 170 USD (en el momento de escribir este artículo). Los precios de las SSD de nivel empresarial varían aún más y, a menudo, ascienden a miles. Si bien NVMe se convirtió en el estándar de la industria para las cargas de trabajo empresariales, las SSD SATA todavía se usan ampliamente en las compilaciones de PC en lugar de HDD, ya que son considerablemente más rápidas.

La elección entre NVMe y SATA depende de las necesidades del usuario. Para las PC, SATA presenta indiscutiblemente una opción más barata si un usuario está dispuesto a aceptar menos velocidad. Para las necesidades comerciales a nivel empresarial, los beneficios de usar NVMe son más difíciles de ignorar, incluso con el aumento del precio. A continuación, se presentan algunos ejemplos de aplicaciones reales de ambas tecnologías:

Casos de uso de NVMe

• Informática de alto rendimiento (HPC): las altas velocidades de NVMe y su capacidad para manejar el procesamiento en paralelo lo convierten en una opción estable para una amplia gama de aplicaciones informáticas de alto rendimiento, como el comercio financiero de alta frecuencia, la IA y el ML.
• Aplicaciones exigentes: muchas aplicaciones que requieren interacciones con los clientes en tiempo real en un entorno rico en datos, como las aplicaciones de finanzas personales y comercio electrónico, dependen del almacenamiento de NVMe para ejecutar sus cargas de trabajo empresariales.
• Centros de datos: las SSD NVMe ayudan a muchos centros de datos de todo el mundo a ampliar sus capacidades de almacenamiento de datos sin dejar de ofrecer un alto rendimiento. Según un informe de Enterprise Strategy Group (enlace externo a ibm.com), casi tres cuartas partes de las organizaciones ya emplean almacenamiento SSD basado en NVMe o planean cambiarse a este el próximo año.

Casos de uso de SATA

• Componentes heredados: SATA es “compatible con versiones anteriores”, lo que significa que se puede usar de manera segura con hardware y software más antiguos. A diferencia de las SSD NVMe, una SSD SATA no estresará los componentes de una computadora más antigua, como un procesador.
• Edición de video: para muchos editores de video, el menor precio de las SSD SATA y las altas velocidades (en comparación con las HDD) las convierten en una opción atractiva. La velocidad de las SSD SATA es suficiente para sus requisitos. La diferencia entre una SSD SATA y una SSD NVMe en un entorno de edición de video solo se nota con secuencias de alta tasa de bits (2000 Mbps o superior) o en un proyecto que requiere secuencias de varias cámaras para edición simultánea.
• Producción de audio: al igual que en la edición de video, la producción de audio rara vez requiere el tipo de velocidades para las que se creó una SSD de NVMe, lo que convierte a SATA en una alternativa aceptable. La producción musical, por ejemplo, casi nunca requiere mucha velocidad de lectura o escritura, a menos que los editores trabajen con numerosas muestras. Las SSD SATA funcionan bien para la mayoría de las necesidades de producción de audio y son menos costosas.

Para muchos usuarios, las SSD SATA son lo suficientemente rápidas como para satisfacer sus necesidades diarias de almacenamiento y transferencia de datos. A un precio más bajo, al menos por ahora, siguen siendo una opción atractiva. Sin embargo, a nivel empresarial, NVMe se está convirtiendo rápidamente en el estándar de la industria.

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