Tốc độ NVMe so với SATA và SAS: Cái nào nhanh nhất?

Giao thức NVMe đã trở thành tiêu chuẩn ngành công nghiệp để hỗ trợ ổ đĩa (solid-state drives – SSDs) và các hệ thống non-volatile memory subsystems khác. Tốc độ NVMe so với SATA và SAS thì Tốc độ của NVMe đáng kể tốt hơn so với các giao thức lưu trữ truyền thống như SAS và SATA. Tiêu chuẩn NVMe được dựa trên Công bố Kỹ thuật Cơ sở NVM Express được công bố bởi NVM Express Inc., một tổ chức phi lợi nhuận gồm các nhà lãnh đạo trong ngành công nghệ. Tổ chức này duy trì một bộ các thông số kỹ thuật xác định cách phần mềm máy chủ giao tiếp với bộ nhớ không bay hơi qua các giao vận được hỗ trợ. Tính đến NVMe 2.0,

Bộ bao gồm các thông số kỹ thuật sau:

• Thông số kỹ thuật cơ sở NVMe
• Thông số kỹ thuật tập lệnh NVMe (Tập lệnh NVM, Tập lệnh Không gian Vùng và Tập lệnh Giá trị Khóa)
• Thông số kỹ thuật truyền tải NVMe (Truyền tải NVMe qua PCIe, Truyền tải RDMA và Truyền tải TCP)
• Thông số kỹ thuật giao diện quản lý NVMe

Bus PCIe có thể cung cấp độ trễ thấp hơn và tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với các công nghệ bus cũ, chẳng hạn như các tiêu chuẩn PCI hoặc PCI Extended (PCI-X). Với PCIe, mỗi bus có một kết nối riêng biệt của riêng nó, do đó chúng không cần phải cạnh tranh về băng thông. Các khe cắm mở rộng tuân theo tiêu chuẩn PCIe có thể mở rộng từ một đến 32 làn truyền dữ liệu. Tiêu chuẩn xác định bảy cấu hình làn vật lý: x1, x2, x4, x8, x12, x16 và x32. Các cấu hình dựa trên số lượng làn; ví dụ, cấu hình x8 sử dụng tám làn. Càng nhiều làn, hiệu suất càng tốt – và chi phí càng cao. Phiên bản PCIe là một yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất. Nói chung, mỗi phiên bản gấp đôi băng thông và tốc độ truyền dữ liệu của phiên bản trước, vì vậy phiên bản gần đây hơn thì hiệu suất càng tốt.

SSD là gì?

Ổ đĩa thể rắn là một loại thiết bị lưu trữ không bay hơi (non-volatile) dùng để lưu giữ dữ liệu điện tử. Không giống như ổ đĩa cứng (HDD) hoặc băng từ (magnetic tape), SSD không có bất kỳ bộ phận chuyển động nào có thể gãy hoặc hỏng. Thay vào đó, SSD sử dụng vi mạch silic để lưu trữ dữ liệu, do đó cần ít năng lượng hơn và tạo ra ít nhiệt hơn. Hầu hết SSD hiện nay dựa trên công nghệ bộ nhớ flash. Mỗi thiết bị bao gồm một bộ điều khiển flash và một hoặc nhiều chip bộ nhớ NAND flash.

Tốc độ và hiệu suất của NVMe

NVMe được phát triển từ đầu đặc biệt cho ổ đĩa SSD để cải thiện khả năng thông qua và IOPS, giảm độ trễ và tăng tốc độ. Tốc độ của NVMe đáng kể tốt hơn so với các giao thức lưu trữ truyền thống như SAS và SATA. Các ổ đĩa dựa trên NVMe lý thuyết có thể đạt được tốc độ thông qua lên đến 32 GBps, giả sử các ổ đĩa dựa trên PCIe 4.0 và sử dụng 16 làn PCIe. Hiện nay, các ổ đĩa SSD PCIe 4.0 thường là các thiết bị bốn làn với thông qua gần đến 7 GBps. Mặc dù một số ổ đĩa chỉ đạt tới 200.000 IOPS, nhiều ổ đĩa có IOPS vượt quá 500.000, với một số ổ đĩa lên đến 10 triệu IOPS. Đồng thời, tỷ lệ độ trễ tiếp tục giảm; nhiều ổ đĩa đạt được tỷ lệ dưới 20 microseconds (µs), một số thậm chí dưới 10. Tuy nhiên, các chỉ số đo lường tốc độ của SSD NVMe, chẳng hạn như thông qua hay tốc độ truyền, có thể thay đổi rộng rãi. Những con số này là xu hướng, chứ không phải tuyệt đối, khi xem xét tính động của công nghệ này. Các yếu tố như loại khối công việc – ghi so với đọc hay ngẫu nhiên so với tuần tự – có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể trong tốc độ tối đa của NVMe. Tuy nhiên, rõ ràng là NVMe vượt trội hơn đáng kể so với các giao thức như SAS và SATA ở mọi khía cạnh, đặc biệt là khi được sử dụng với PCIe 4.0.

Bộ lệnh của NVMe

NVMe sử dụng một bộ lệnh được đơn giản hóa hơn để xử lý yêu cầu I/O, yêu cầu ít hơn một nửa số lệnh CPU so với SATA hoặc SAS. NVMe cũng có một hệ thống hàng đợi thông điệp rộng rãi và hiệu quả hơn. Ví dụ, SATA và SAS mỗi cái chỉ hỗ trợ một hàng đợi I/O tại một thời điểm. Hàng đợi SATA có thể chứa tối đa 32 lệnh chưa hoàn thành, và hàng đợi SAS có thể chứa tối đa 256 lệnh.NVMe có khả năng hỗ trợ đến 65.535 hàng đợi và tối đa 64.000 lệnh cho mỗi hàng đợi.

Cơ chế của NVMe

Cơ chế hàng đợi này giúp NVMe tận dụng tốt hơn khả năng xử lý song song của ổ đĩa SSD, điều mà các giao thức khác không thể làm được. Ngoài ra, NVMe sử dụng truy cập bộ nhớ trực tiếp từ xa (remote direct memory access) qua bus PCIe để ánh xạ các lệnh và phản hồi I/O trực tiếp vào bộ nhớ chia sẻ của máy chủ. Điều này giúp giảm tải CPU thêm nữa và cải thiện tốc độ của NVMe. Kết quả là, mỗi chu kỳ lệnh CPU có thể hỗ trợ IOPS cao hơn và giảm thiểu độ trễ trong ngăn xếp phần mềm của máy chủ.

Tốc độ và hiệu suất của SAS và SATA

SAS và SATA là những giao thức thông dụng để kết nối giữa phần mềm máy chủ và ổ đĩa ngoại vi. Giao thức SATA dựa trên tiêu chuẩn Advanced Technology Attachment (ATA), và giao thức SAS dựa trên tiêu chuẩn SCSI. SAS và SATA được phát triển đặc biệt cho các thiết bị HDD. Mặc dù SAS thường được xem là nhanh hơn và đáng tin cậy hơn, cả hai giao thức đều có thể dễ dàng xử lý các khối công việc của HDD. Nếu hệ thống gặp trở ngại liên quan đến lưu trữ, thì thường do ổ đĩa chính nó hoặc các yếu tố khác, chứ không phải do giao thức. Tuy nhiên, SSD đã thay đổi phương trình này. Số lượng IOPS cao của SSD có thể nhanh chóng vượt quá giới hạn của các giao thức cũ, làm cho chúng không thể tận dụng hết khả năng hiệu suất của ổ đĩa.

Giao thức không còn hoạt động tốt trên SSD

Các giao thức cũ không hoạt động tốt trên SSD. SATA và SAS chỉ hỗ trợ một hàng đợi I/O tại một thời điểm và hàng đợi đó chỉ chứa một số lệnh đang chờ so với NVMe. Ngoài ra, hiện nay, các ổ đĩa dựa trên SATA chỉ đạt được thông lượng tối đa là 6 Gbps, với IOPS cao nhất là khoảng 100.000. Độ trễ thường vượt quá 100 µs, mặc dù một số ổ đĩa SSD mới dựa trên SATA có thể đạt độ trễ thấp hơn nhiều. Các ổ đĩa SAS cung cấp hiệu suất tương đối tốt hơn; chúng cung cấp thông lượng lên đến 12 Gbps và IOPS trung bình dao động từ 200.000 đến 400.000. Tuy nhiên, IOPS thấp không phải là điều bất thường. Trong một số trường hợp, tỷ lệ độ trễ SAS đã giảm xuống dưới 100 µs, nhưng không nhiều.

NVMe 2.0

NVMe 2.0 định nghĩa nhiều tính năng mới và cải tiến để hỗ trợ môi trường thiết bị NVMe mới nổi nhưng vẫn duy trì tính tương thích với các phiên bản trước. NVMe 2.0 bao gồm cập nhật tính năng và quản lý giúp sử dụng NVMe với các phương tiện lưu trữ xoay chiều như HDD. NVMe 2.0, được phát hành vào năm 2021, đã thêm hai lệnh. Bộ lệnh Zoned Namespaces xác định một giao diện thiết bị lưu trữ cho phép host và SSD hợp tác trong việc đặt dữ liệu. Điều này giúp căn chỉnh dữ liệu với phương tiện lưu trữ vật lý của SSD, cải thiện hiệu suất và sử dụng tài nguyên. Bộ lệnh Key Value cho phép ứng dụng sử dụng cặp giá trị khóa để giao tiếp trực tiếp với SSD, tránh chi phí đầu tư của các bảng dịch giữa các khóa và các khối logic. NVMe 2.0 cũng đã thêm một số tính năng quan trọng khác và cập nhật nhiều tính năng hiện có.

Ví dụ:

• Namespace Types cho phép bộ điều khiển SSD hỗ trợ các bộ lệnh NVMe khác nhau.
• NVMe Endurance Group Management cải thiện kiểm soát SSD bằng cách cho phép phương tiện được cấu hình thành các nhóm bền và các bộ đặt NVM, tạo điều kiện tiếp cận tới SSD.
• Multiple Controller Firmware Update định nghĩa hành vi cho việc cập nhật firmware trên một miền chứa nhiều bộ điều khiển.
• Command Group Control bảo vệ hệ thống khỏi những thay đổi vô ý hoặc độc hại sau khi đã được cung cấp dữ liệu.
• Command and Feature Lockdown cho phép kiểm soát từ host và quản lý để ngăn chặn thực thi của một số lệnh nhất định.
• Lệnh sao chép đơn giản cho phép host sao chép dữ liệu từ nhiều dải khối logic sang một dải khối logic liên tiếp duy nhất.

NVMe 2.0 cũng nâng cao khả năng đo lường điều khiển, bao gồm khả năng hỗ trợ môi trường quy mô lớn với các miền khác nhau, xác định cấu trúc nhận dạng mới có thể mở rộng trên nhiều không gian tên và cập nhật Nhật ký hiệu ứng lệnh.

NVMe 1.3 và NVMe 1.4

Năm 2019, nhóm NVM Express đã phát hành thông số kỹ thuật NVMe 1.4. Đây là phiên bản được xây dựng trên và cải tiến từ NVMe 1.3, được phát hành vào năm 2017. NVMe 1.4 giới thiệu một số tính năng mới và cải tiến. Ví dụ, thông số kỹ thuật được sửa đổi đã xác định một khu vực bộ nhớ có tính khả năng lưu trữ liên tục trên chu kỳ nguồn điện. Nó định nghĩa một chế độ độ trễ dự đoán cho phép máy chủ có hành vi tốt có thể đạt được độ trễ đọc xác định. NVMe 1.4 cũng cho phép triển khai bản ghi sự kiện liên tục trong các hệ thống con NVMe, báo cáo đặc tính truy cập không đối xứng của không gian tên đến máy chủ và cho phép máy chủ liên kết một bộ đệm NVM và hàng đợi gửi I/O. Phiên bản này đã thêm một lệnh xác minh để kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu và siêu dữ liệu được lưu trữ. Nó định nghĩa các gợi ý về hiệu suất và độ bền cho phép bộ điều khiển chỉ định đơn vị độ chính xác và đồng tuyến cho các hoạt động ghi và giải phóng. NVMe 1.4 đã cập nhật nhiều tính năng hiện có. Nó tăng cường bộ đệm bộ nhớ của máy chủ và cho phép dòng ghi được chia sẻ trên nhiều máy chủ. Thông số kỹ thuật cũng định nghĩa một cơ chế điều khiển để truyền đạt đơn vị cấp phát không gian tên đến máy chủ và cho phép ngăn chặn việc giải phóng sau khi thực hiện hoạt động vệ sinh.

Các yếu tố cần cân nhắc khi mua SSD

Một trong những yếu tố quan trọng khi mua SSD là lựa chọn ổ đĩa dựa trên giao thức SATA, SAS hoặc NVMe. Hầu hết các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp ưa chuộng NVMe hơn hai giao thức còn lại vì hiệu suất vượt trội của nó. Nếu người quyết định chọn NVMe, họ nên xem xét bốn yếu tố quan trọng, cụ thể liên quan đến PCIe:

• Phiên bản PCIe. Mỗi thế hệ mới của đặc tả PCIe đem lại hiệu suất tốt hơn, vì vậy các tổ chức nên cố gắng chọn SSD tuân theo phiên bản mới nhất.
• Số lượng lane PCIe. Hầu hết các SSD NVMe giới hạn đến bốn lane PCIe, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Càng nhiều lane mà ổ đĩa sử dụng, thì hiệu suất càng cao.
• Định dạng SSD. Có bốn định dạng cho SSD PCIe: M.2, U.2, thẻ mở rộng và EDSFF. Người ra quyết định nên xem xét các yếu tố như ngân sách, vị trí máy chủ của ổ đĩa và không gian lưu trữ có sẵn. EDSFF là một công nghệ mới nổi cung cấp nhiều lợi ích hơn các định dạng khác về hiệu suất, dung lượng và khả năng mở rộng.
• Môi trường lưu trữ. Thiết bị chứa SSD cần hỗ trợ cùng phiên bản PCIe với ổ đĩa để đạt được những lợi ích lớn nhất. Ví dụ, nếu người dùng chạy một ổ SSD PCIe 4.0 trên một máy chủ PCIe 3.0, thì tốc độ hoạt động của ổ đĩa sẽ là PCIe 3.0, không phải PCIe 4.0.

  Kết Luận

  Trong bài viết trên mình đã đánh giá tổng quan về Tốc độ NVMe so với SATA và SAS và các yếu tố cần cân nhắc khi mua SSD . Mình mong là bài viết này sẽ hữu ích với bạn

  Hiện tại máy chủ vina đang cung cấp các dòng ỗ đĩa SSD bao gồm SATA , SAS và NVMe chính hãng và giá cả cạnh tranh.