NVMe và SATA khác nhau như thế nào?

Khi nói đến hiệu suất lưu trữ vượt trội, NVMe chính là công nghệ hàng đầu mà không một giao thức nào có thể so sánh. Dù chỉ nhìn thoáng qua thì sự khác biệt về hiệu suất giữa NVMe và SATA đã là rất ấn tượng. Trình điều khiển giao tiếp và giao diện của NVMe và SATA hoàn toàn khác nhau, vì SATA sử dụng trình điều khiển AHCI được thiết kế cho ổ đĩa cứng (HDD) với công nghệ quay, còn trình điều khiển NVMe được thiết kế đặc biệt cho ổ cứng thể rắn (SSD) với công nghệ flash. Ngoài ra, NVMe có thể tận dụng ổ cắm PCIe để giao tiếp giữa giao diện lưu trữ và CPU của hệ thống để mang lại khả năng mạnh mẽ hơn nữa. Nếu so sánh như một cuộc đua, thì đây là cuộc tranh tài giữa siêu xe Công thức 1 và siêu xe giải siêu xe touring.

Thoạt nhìn, cả hai đều chạy rất nhanh, nhưng khi so sánh hai loại ổ cứng thể rắn thì ta sẽ thấy rõ sự khác biệt. Cân nhắc những điểm khác biệt này là cần thiết khi đánh giá nhu cầu, mong muốn và yêu cầu của bạn.

Ổ cứng SSD SATA

Công nghệ Serial ATA (SATA) đã được ra mắt từ năm 2000 như một bước cải tiến cho công nghệ Parallel ATA hiện có, vốn bị cản trở bởi kích thước, chi phí, hiệu suất và chức năng của dây cáp. Cả hai công nghệ đều cung cấp đủ hiệu suất cho ổ đĩa cứng (HDD) – loại ổ cứng về cơ bản có khả năng kém hơn so với ổ cứng thể rắn (SSD) ngày nay. Sự ra đời của ổ SSD dựa trên SATA chứng tỏ rằng bus ATA đã đạt đến giới hạn hiệu suất. Nếu ổ HHD chỉ có thể đạt hiệu suất ghi 50-120MB/giây, thì ổ SSD có thể bão hòa bus SATA ở tốc độ 550MB/giây. Bất chấp giới hạn về bus, chúng ta thường thấy hiệu suất tổng thể của hệ thống cải thiện lên 10-15 lần khi sử dụng ổ SSD dựa trên SATA thay cho công nghệ ổ HDD cũ.

Giao diện AHCI

Giao diện bộ điều khiển máy chủ nâng cao (AHCI) là một chế độ giao tiếp được thiết kế vào khoảng năm 2004 để cải thiện hiệu suất và tiện ích của các thiết bị lưu trữ được kết nối qua SATA. AHCI được thiết kế dành cho ổ HDD và ra mắt công nghệ hàng đợi yêu cầu lưu trữ dạng đơn với độ sâu lên đến 32 lệnh. Điều này đồng nghĩa là ổ cứng HDD có thể đạt được mức thông lượng và hiệu suất cao hơn, nhưng việc triển khai sẽ trở thành yếu tố cản trở trong tương lai đối với công nghệ bộ điều khiển SSD. Ví dụ: ổ HDD có thể đạt tốc độ lên đến 200 thao tác đầu vào/đầu ra mỗi giây (IOPS), trong khi ổ SSD dựa trên SATA có thể đạt tới 100.000 IOPS và hiệu suất bị giới hạn do bus SATA.

Ổ cứng SSD NVMe

Công nghệ Non-Volatile Memory Express (NVMe) được ra mắt vào năm 2011 để giải quyết nhiều rào cản khác nhau của giao diện SATA và các giao thức truyền thông. Công nghệ NVMe sử dụng bus PCIe, thay vì bus SATA, để khai mở tiềm năng băng thông khổng lồ cho các thiết bị lưu trữ. PCIe 4.0 (phiên bản hiện tại) cung cấp tới 32 làn và, về lý thuyết, có thể truyền dữ liệu ở tốc độ lên đến 64.000MB/giây so với giới hạn thông số kỹ thuật 600MB/giây của SATA III. Thông số kỹ thuật của NVMe cũng cho phép có 65535 hàng đợi lệnh và mỗi hàng đợi có thể có tới 65536 lệnh. Trong khi đó, ổ SSD dựa trên SATA bị giới hạn với một hàng đợi duy nhất và chỉ có 32 lệnh trong mỗi hàng đợi. Công nghệ NVMe tạo ra tiềm năng rất lớn cho các thiết bị lưu trữ nhờ giúp tăng cường tính hiệu quả, hiệu suất và khả năng tương tác trên nhiều hệ thống. Người ta thường tin rằng công nghệ này sẽ trở thành tiêu chuẩn mới của ngành.

Kích thước ổ cứng SSD

Trong khi ổ HDD thường có chiều rộng là 2,5 hoặc 3,5inch và hầu hết các ổ SSD dựa trên SATA có chiều rộng là 2,5inch, dày 7mm, thì ổ NVMe được thiết kế theo một số kích thước mới để có thể tương thích với nhiều loại thiết bị.

• M.2 – Việc giảm kích thước ổ đĩa vật lý của M.2 giúp đảm bảo tính phổ biến trong tương lai cho các thiết bị lưu trữ này. Con số 22 chỉ chiều rộng và 30/42/80/110 chỉ chiều dài tính bằng milimét. Hiện tại, M.2 2280 hỗ trợ SATA và cũng là kích thước ổ SSD NVMe phổ biến nhất cho NVMe. Khi công nghệ ngày càng cải tiến và thu nhỏ thì điều này sẽ có thể thay đổi.
• U.2 – Đây là những thiết bị lưu trữ có giá cao hơn, hiệu suất mạnh hơn và độ bền cao hơn, thường được tìm thấy trong môi trường lưu trữ của trung tâm dữ liệu/doanh nghiệp.

• Thẻ PCIe bổ sung – Những ổ SSD NVMe hiệu suất cao này được ứng dụng vào các hệ thống chưa sử dụng ổ cắm để tương thích với kích thước của M.2.

Sơ lược về hiệu suất của ổ SSD

NVMe là một giao thức lưu trữ được thiết kế để dành riêng cho ổ SSD. Với việc loại bỏ lớp HBA SATA trung gian, NVMe cho phép ổ SSD giao tiếp trực tiếp với CPU thông qua bus PCIe, mở ra các kênh để hiện thực hóa những cải tiến đột phá về hiệu suất. Nói một cách dễ hiểu, giới hạn hiệu suất của bus SATA III là 6Gb/giây, nghĩa là ổ SSD SATA có thể cung cấp thông lượng tối đa 550MB/giây sau khi lượng dữ liệu gián tiếp. Một làn PCIe 3.0 duy nhất có thể cung cấp thông lượng 1GB/giây (hai chiều), vì vậy một ổ SSD PCIe 3×4 có thể đạt mức thông lượng đọc/ghi lên đến 4GB/giây. Con số này sẽ lên đến 8GB/giây (hai chiều) đối với ổ SSD PCIe Gen 4X4. Lúc này, giới hạn hiệu suất chuyển từ giao thức sang phương tiện lưu trữ NAND, một công nghệ đã phát triển vượt bậc trong những năm gần đây, cho phép các nhà sản xuất tạo ra mật độ và hiệu suất cao nhất trong những ổ đĩa có kích thước siêu nhỏ gọn.

NVMe cũng giảm đáng kể độ trễ giao thức nhờ đường dẫn dữ liệu được rút ngắn và tối ưu hóa, cho phép độ trễ thấp hơn so với giao diện SATA/SAS. Việc quản lý hàng đợi trong các thiết bị NVMe cũng được CPU xử lý hiệu quả hơn nhờ cơ chế tín hiệu xử lý I/O dạng chuông cửa, giúp giảm đáng kể dữ liệu trung gian của CPU. Ngoài ra, các thiết bị NVMe được hỗ trợ bởi hầu hết các hệ điều hành chính nhờ rất nhiều nỗ lực phát triển trong thập kỷ qua.