NVMe: caratteristiche e costi delle SSD più veloci in assoluto

Secondo l’istituto di ricerca californiano G2M, a partire dal 2022 più del 60% degli all-flash array (AFA), i sottosistemi storage impiegati nei data center e nelle server farm, utilizzerà drive SSD NVMe quali media di memorizzazione. Sempre secondo la stessa autorevole società di analisi, nei prossimi due anni l’NVMe diventerà il protocollo di interfaccia storage dominante negli SSD con form factor da 2.5” (nota anche come U.2).

Cos’è la tecnologia NVMe (Non-Volatile Memory Express) e a cosa serve

L’NVMe (Non-Volatile Memory Express) è una specifica di interfaccia per la trasmissione di dati fra computer (host) e dispositivi di memorizzazione attraverso il bus PCI Express (PCIe). Si tratta di un’alternativa alle interfacce SATA (Serial ATA) e SAS (Serial Attached SCSI).

Il primo rilascio della specifica NVMe data a gennaio 2013; aalla seconda metà del 2014 in poi si è assistito a una crescita dei prodotti NVMe immessi sul mercato e dei vendor IT impegnati a supportare questa interfaccia.

Caratteristiche delle SSD più veloci

Oggi le SSD più veloci sul mercato sono quelle che utilizzano le specifiche di interfaccia host controller NVMe, SATA III (o Sata 3.0, SATA 600) o SAS-3 12 Gbps.

tratta di prodotti dai prezzi e dai rapporti fra capacità, prestazioni e robustezza, nonché dagli use case (pc, server, data center) molto divergenti: la scelta fra questi tipi di SSD deve essere molto ben valutata. A caratterizzare tutte le SSD più veloci sono tempi di risposta (o latenza) nelle operazioni I/O (input/output) dell’ordine delle poche centinaia di microsecondi, in contrasto con le unità di millisecondi che caratterizzano gli hard disk magnetici. Questo rende possibile raggiungere performance nell’ordine delle centinaia di migliora di IOPS di lettura random e delle decine di migliaia di IOPS in scrittura random. A livello di bandwidth di lettura e scrittura sequenza, gli SSD più performanti offrono dai 500 MB/s (SATA 3), ai 2 GB/s (SAS 3) ai 3,5 GB/s (NVMe con bus PCIe 3.0 x4, dove x4 si intende il numero di corsie utilizzate). Con PCIe 4.0, i più nuovi SSD NVMe possono raggiungere i circa 5 GB/s in scrittura e 4,4 GB/s in scrittura.

Sia le elevate prestazioni sia le densità rese possibili dall’utilizzo della tecnologia flash NAND a strati disposti verticalmente (3D NAND), mettono a dura prova gli SSD. Per questo, i vendor delle SSD più veloci e affidabili promettono Mean time between failures (MTBF) di 2-2,5 milioni di ore e specificano l’endurance dei diversi modelli di drive, espressa con il numero di operazioni massime di riscrittura totale del drive che può essere effettuata in un giorno durante il periodo di 5 anni di garanzia (Drive writes per day, o DWPD). Tipicamente si va da a 0,1 a 5 DWPD, ma ce ne sono anche da 10 DWPD.

Differenze tra unità SSD NVMe e SATA

I confronto fra le unità SSD NVMe e SATA è quello più realistico, in quanto si tratta delle due tecnologie oggi più interscambiabili a livello di prezzi e casi d’uso. La differenza principale fra NVMe e SATA riguarda i set di comandi utilizzati (dimezzati con NVMe) e la loro gestione (nel MVNe sono mappati sulla memoria condivisa dell’host su PCIe). L’aumento della densità di dati memorizzabili nelle SSD ha reso auspicabile ridurre la latenza nell’esecuzione delle operazioni I/O, sfruttando al meglio il parallelismo offerto dal bus PCIe e la presenza di sempre più core nelle moderne CPU.

Esempi applicativi e vantaggi per le aziende

I drive NVMe stanno ampliando i loro use case nelle aziende. Uno dei più noti è il loro utilizzo nel boot dei server. Rispetto a quanto avviene con gli HDD, con le SSD NVMe possono bastare pochi secondi. Oltre all’utilizzo come bootable disk, crescono quelli che capitalizzano sulla grande quantità di dati memorizzabili in poco spazio e accessibili in tempi quasi reali.

Nella maggior parte dei casi, comunque, la sostituzione di HDD e SSD SATA con SSD NVMe punta soprattutto al supporto di workload read-intensive. I modelli di SSD NVMe che offrono elevati livelli di affidabilità anche a fronte di carichi di lavoro misti, o addirittura write-intensive, hanno prezzi ancora molto più elevati di quelli per gli use case read-intensive, motivo per cui, per quei workload (come la virtualizzazione dei server, i servizi cloud IaaS, PaaS, SaaS) sono più utilizzati gli SSD SATA o SAS.

I drive a stato solido NVMe, invece, stanno avendo sempre più diffusione a supporto di casi d’uso in cui è necessario memorizzare grandi moli di dati cui attingere in lettura molto spesso e il più velocemente possibile. Ecco quindi il crescente successo nel data warehousing, nell’analisi dei Big Data, nell’Artificial intelligence, e nello streaming audio e video.

Grazie all’avvento della tecnologia NVMe over Fabric (NVMe-oF), oggi è possibile connettere sempre di più host e sottosistemi storage basati su SSD NVMe distribuiti a livello LAN e WAN. NVMe-oF supporta tecnologie di connessione quali Fibre Channel, Infiniband e Ethernet. Con l’ultima release è compatibile anche con TCP.

I costi di una NVMe

I prezzi delle SSD NVMe variano molto a seconda delle performance e della endurance. Da questi aspetti, oltre che in una certa misura dal form factor (M.2, U.2 o 2.5”, AIC-HHHL, ovvero Add-in card con fattore di forma analogo a quello di altre card), dipende se le SSD NVMe possono essere considerate prevalentemente per client/workstation, server o data center; oppure, ad uso read-intensive, misto o write intensive.

Di solito le M.2 e le AIC sono le preferite per client e workstation e anni costi che varia dai 100 ai 600 euro per TB, con una media di 250 euro (i tagli che vanno per la maggiore variano dai 250 GB ai 2 TB). Con form factor 2.5” e AIC-HHHL si trovano SSD NVME per data center che costano 1.000-2000 euro a TB. Vi sono modelli che, per capacità, raggiungono i 12,8 TB e oltre.

Come capire se un computer è compatibile con NVMe

Se si pensa di sostituire un HDD con una SSD NVMe, occorre appurare se la motherboard e il BIOS (oggi chiamato UEFI) supportano la specifica NVMe.

Prima di tutto, per sfruttare al meglio questa specifica (ad esempio la bandwidth di 3,5 GB/s), occorre verificare il supporto allo standard PCIe 3.0 e la presenza di slot PCIe a 4, 8 o 16 lane in cui il supporto di 4 lane sia effettivo e non solo meccanico. Se solo 2 corsie sono funzionanti il throughput viene dimezzato. Oppure possono esserci uno o più slot M.2, ma occorre assicurarsi che siano del tipo “M-key” (quelli “B-key” sono adatti agli SSD SATA, quelli “B+M-key” permettono la compatibilità anche con i drive NVMe a con performance da PCIe 3.0 x2 e non x4). Quindi il BIOS deve poter attivare l’UEFI 2.3.1.

Le motherboard più recenti immesse sul mercato, come quelle con socket LGA 1151 (Intel) o AM4 (AMD) supportano l’NVMe. Per quanto riguarda i sistemi operativi, Windows 7 supporta l’NVMe, ma occorre compiere qualche operazione con il pacchetto di installazione, mentre Windows 8.1 e 10 riconoscono immediatamente gli SSD NVMe. Lo stesso dicasi per le distribuzioni di Linux con kernel 3.3 e successivi e Mac OS X 10.10.3 e successivi.