حافظه‌های پرسرعت NVMe SSD
علمی و تکنولوژی › رایانه و سخت افزار
- 97/08/23
سرعت بسیار بالای حافظه‌های NVMe SSD موجب محبوبیت بسیار زیاد آن‌ها شده است؛ اما تفاوت اصلی میان آن‌ها و SATA SSD در چیست؟فناوری NVMe در گذشته به‌عنوان گزینه‌ای غیرضروری اما پرکاربرد در صنعت ذخیره‌سازی اطلاعات به‌شمار می‌رفت. اما اکنون این قابلیت به موردی مهم تبدیل شده و خریداران رایانه‌های جدید بهتر است به داشتن آن توجه داشته باشند. اگر به‌تازگی رایانه‌ای خریداری کرده‌اید و می‌خواهید سرعت آن را افزایش دهید، می‌توانید با بهره‌گیری از این فناوری به هدف خود دست پیدا کنید.
NVMe در حقیقت یک استاندارد ارتباطی مخصوص حافظه‌های SSD است که توسط مجموعه‌ای از چندین شرکت شامل اینتل، سامسونگ، سن‌دیسک، دل و سیگیت توسعه یافته است. استاندارد گفته‌شده از درگاه PCIe استفاده می‌کند که موجب می‌شود حافظه‌ها بسیار سریع‌تر عمل کنند. درحقیقت به‌دلیل استفاده از رابط‌های قدیمی، بسیاری از حافظه‌های SSD نمی‌توانند به حداکثر ظرفیت خود در سرعت تبادل داده‌ها برسند و استاندارد جدید می‌تواند موجب افزایش بیش از پیش فاصله‌ی میان این نوع حافظه‌ها و حافظه‌های مکانیکی قدیمی شود.
نمی‌توان پیشرفت‌های تولیدکنندگان پردازنده و کارت‌های گرافیک را در دهه‌ی اخیر انکار کرد؛ اما علت اصلی افزایش سرعت لپتاپ‌ها در نسل‌های کنونی، حافظه‌های SSD هستند. برای سال‌های متمادی، ضعف در سرعت ذخیره‌سازی یکی از علت‌های اصلی کند بودن رایانه‌های شخصی بوده است و بالارفتن تعداد هسته‌های پردازشی یا فرکانس پردازنده نیز کمکی به سریع‌تر شدن سیستم‌ها نمی‌کرد. حافظه‌های مکانیکی درحال تلف کردن پتانسیل پردازنده‌ها و کارت‌های گرافیک بودند و افزایش سرعت چرخش آن‌ها نیز ثمربخش نبود. در نهایت SSDها توانستند خلاء ایجادشده میان قدرت پردازنده و سرعت حافظه را پر کنند. اکنون در تمامی سیستم‌های قدرتمند از جمله رایانه‌ها و لپتاپ‌های مخصوص بازی، ویرایش ویدیو و تولید محتوای گرافیکی شاهد استفاده از نوع جدید حافظه‌ها هستیم.
برای مثال اگر در طی دو سال اخیر اقدام به خریداری مک‌بوک پرو کرده باشید، متوجه خواهید شد که سرعت دستگاه، نسبت به نسل‌های قبلی خود افزایش چشمگیری داشته است. برنامه‌ها در یک چشم به‌هم زدن باز و فایل‌ها نیز به‌سرعت روی دستگاه ذخیره می‌شوند. همچنین روشن و خاموش شدن دستگاه تنها در چند ثانیه صورت می‌گیرد. تمامی موارد گفته‌شده، به‌دلیل استفاده از حافظه‌های NVMe SSD در نسل‌های اخیر مک‌بوک پرو است که می‌تواند خواندن و نوشتن اطلاعات را ۴ برابر سریع‌تر از حافظه‌های SATA SSD به‌کاررفته در نسل‌های قبلی، انجام دهد. شناسایی مسیر داده‌ها نیز ۱۰ برابر سریع‌تر از گذشته شده است. این در حالی است که حافظه‌های SATA SSD خود چندین برابر پرسرعت‌تر از انواع HDD هستند و حاصل ضرب تمامی این ارقام می‌تواند نشان‌دهنده‌ی سرعت بسیار زیاد حافظه‌های مبتنی بر استاندارد NVMe باشد. در جدول زیر می‌توانید مقایسه‌ی میان عملکرد سه فناوری اصلی در صنعت ذخیره‌سازی اطلاعات را مشاهده کنید.
میانگین سرعت قابل دستیابی در حافظه‌های مکانیکی حدود ۲۰۰ مگابایت بر ثانیه است. درحالی که این مقدار برای حافظه‌های SATA SSD به‌رقم ۵۵۰ مگابایت بر ثانیه و برای NVMe SSD به‌مقدار ۳ گیگابایت بر ثانیه می‌رسد. البته مشخص است که بسیاری از کاربران به چنین سرعتی نیاز ندارند و حتی کاربران حرفه‌ای نیز در استفاده روزمره، به حداکثر پتانسیل سرعت در استاندارد NVMe دست پیدا نمی‌کند؛ اما افزایش این مقدار می‌تواند به‌طور چشمگیری موجب بهبود عملکرد رایانه‌ها شود. در نمودار پایین نیز می‌توانید زمان مورد نیاز برای مشخص کردن موقعیت داده را مشاهده کنید.
نوع مکانیکی حدود ۲ الی ۵ میلی‌ثانیه برای مسیریابی داده نیاز دارد؛ درحالی که این زمان در حافظه SATA SSD به ۰.۲ میلی‌ثانیه و در NVMe SSD به ۰.۰۲ میلی‌ثانیه (۲۰ میکروثانیه) می‌رسد. البته ممکن است محصولاتی از هر سه نوع حافظه وجود داشته باشند که عملکردی بهتر یا پایین‌تر از سطح گفته‌شده داشته باشند، اما مقادیر ذکرشده در جدول‌های فوق، به‌صورت میانگین درنظر گرفته شده است.
بدون شک اگر نموداری از میزان پیشرفت حافظه‌ها در ۱۰ سال اخیر رسم شود، می‌تواند پیشرفت‌های صورت‌گرفته در حوزه‌ی پردازش رایانه‌های شخصی را کم‌رنگ کند. اما سرعت پایین‌تر موجب نشده است که نسل‌های قدیمی از جمله HDD حذف شوند. این نوع حافظه‌ها هم‌چنان برای ذخیره‌سازی انبوه اطلاعات گزینه‌ی مناسب‌تری به‌شمار می‌روند زیرا به‌نسبت حافظه‌های SSD، قیمت بسیار کمتری دارند و در حجم‌های زیاد، این فاصله بسیار محسوس‌تر می‌شود. اما بهتر است سیستم‌عامل‌ها، برنامه‌ها و داده‌های پراستفاده روی حافظه‌های NVMe SSD یا در صورت عدم دسترسی روی SATA SSD قرار گیرند تا سرعت سیستم افزایش پیدا کند.
در ابتدای عرضه SSDها به بازار، سازندگان متوجه شدند که برای رسیدن به حداکثر پتانسیل این نوع حافظه‌ها، به یک پروتکل و درگاه ارتباطی جدید نیاز دارند. تعریف یک استاندارد جدید و معرفی گسترده‌ی آن به بازار فرایندی زمان‌بر بود؛ به‌همین دلیل درگاه قدیمی SATA که روی بسیاری از رایانه‌ها به‌صورت پیش‌فرض وجود داشت، به‌عنوان استاندارد نسل‌های اولیه SSD درنظر گرفته شد. به‌همین دلیل نسل‌های ابتدایی به‌نسبت نسخه‌های کنونی سرعت کمتری داشتند اما هم‌چنان در زمان عرضه به بازار، گزینه‌ای پرسرعت به‌شمار می‌رفتند.
اگرچه درگاه SATA توانسته است در نسخه ۳.۳ خود به سرعت ۱۶ گیگابیت بر ثانیه دست پیدا کند، اما بیشتر درگاه‌های تجاری موجود در رایانه‌ها از ظرفیت اسمی ۶ گیگابیت بر ثانیه فراتر نمی‌روند و در عملکرد واقعی نیز سرعت آن‌ها به‌سختی به ۵۵۰ مگابایت بر ثانیه می‌رسد. حتی نسخه ۳.۳ این فناوری بسیار کندتر از پتانسیل حافظه‌های SSD امروزی است؛ مخصوصاً اگر در پیکربندی RAID از آن‌ها استفاده شود.
در قدم بعدی، استفاده از فناوری PCI Express در دستور کار بسیاری از سازندگان قرار گرفت که به‌صورت پیش‌فرض در رایانه‌ها برای انتقال داده‌های مربوط به کارت گرافیک وجود داشت. این فناوری از نسل سوم به بعد قابلیت استفاده از چندین مسیر (Lane) را تا حداکثر مقدار ۱۶ عدد فراهم می‌کند که هریک از آن‌ها می‌توانند حدود ۱ گیگابایت (به‌طور دقیق ۹۸۵ مگابایت) داده را در هرثانیه منتقل کنند.
PCIe به‌عنوان عامل اصلی پیدایش رابط تاندربولت نیز شناخته می‌شود. این رابط اکنون گزینه اصلی برای اتصال کارت‌های گرافیک اکسترنال مخصوص بازی به رایانه‌ها است. همچنین حافظه‌های اکسترنال NVMe از رابط گفته‌شده استفاده می‌کنند که موجب می‌شود سرعت آن‌ها تقریبا همانند حافظه‌های داخلی باشد. اکنون بسیاری از کاربران متوجه می‌شوند که اقدام اینتل در جلوگیری از فراموش شدن Thunderbolt چگونه ثمربخش بوده است.
اگرچه ظهور PCIe به چندسال قبل از پیدایش استاندارد NVMe برمی‌گردد، اما استفاده از آن برای ذخیره‌سازی اطلاعات چندان متداول نبوده است. پروتکل‌های قبلی مورد استفاده در این زمینه مانند SCSI و AHCI همگی در دوران اوج و سلطنت حافظه‌های مکانیکی توسعه یافته بودند و به‌همین دلیل چندان با ویژگی‌های پیشرفته‌ی SSDها سازگاری نداشتند. درنهایت NVMe توانست با ارائه قابلیت‌های بسیاری از جمله کم کردن تاخیر در اجرای فرمان‌ها و افزایش ظرفیت اجرای آن‌ها به‌مقدار ۶۴ هزار عدد، محدودیت‌های استانداردهای قبلی را از میان بردارد. قابلیت ذکرشده در حافظه‌های SSD اهمیت بسیار زیادی دارد زیرا داده‌ها در این نوع محصولات به‌صورت گسترده در واحد‌های ذخیره‌سازی ثبت می‌شوند؛ درحالی که این روند در حافظه‌های مکانیکی به‌طور پیوسته و دایره‌وار صورت می‌گرفت. استاندارد NVMe هم‌چنان درحال پیشرفت است و نسل‌های جدیدتر آن درحال عرضه به بازار هستند. در نسخه‌ی ۱.۳۱ این پروتکل، قابلیت استفاده از رم کامپیوتر به‌عنوان حافظه موقت (cache) فراهم شده است.
چگونه از یک حافظه‌ی NVMe بهره ببریم؟
افزودن چنین حافظه‌ای به یک رایانه‌ی بدون پشتیبانی از بوت NVMe، امری بیهوده خواهد بود؛ مگر اینکه یک گیمر باشید
امکان اضافه کردن یک حافظه از نوع NVMe به رایانه‌های دارای درگاه PCIe با خرید یک آداپتور ۲۵ دلاری وجود دارد. تمامی سیستم‌های عامل محبوب و مهم، درایورهای مخصوص برای این کار را فراهم می‌کنند و بدون درنظر گرفتن سن رایانه‌ی شما، سرعت آن بدون شک افزایش پیدا می‌کند. اما این مسئله، چندان ساده نیز نخواهد بود. برای استفاده از حداکثر توان یک حافظه NVMe SSD، باید سیستم‌عامل خود را روی آن نصب کنید. بوت شدن سیستم‌عامل از روی حافظه نیازمند پشتیبانی BIOS از استاندارد مورد استفاده توسط حافظه است. بایوس بیشتر رایانه‌های قدیمی از چنین قابلیتی پشتیبانی نمی‌کند و به‌نظر نمی‌رسد که سازندگان قصد ارائه‌ی به‌روزرسانی برای افزودن قابلیت مذکور داشته باشند. به‌همین دلیل افزودن چنین حافظه‌ای به یک رایانه‌ی بدون پشتیبانی از بوت NVMe، امری بیهوده خواهد بود؛ مگر اینکه یک گیمر باشید و بازی‌های خود را روی حافظه‌ی مذکور نصب کنید یا از نرم‌افزارهای سنگین با نیاز پردازشی بالا مثل ویرایش ویدیو با کیفیت‌های بالا (مانند 2160p) بهره ببرید.
بیشتر حافظه‌های NVMe SSD موجود در بازار از فرم M.2 بهره می‌برند. اما داشتن درگاه M.2 به‌معنای پشتیبانی رایانه‌ی شما از استاندارد مورد نیاز نخواهد بود. این درگاه برای پشتیبانی از USB 3.0 در کنار SATA و PCIe درنظر گرفته شده است اما نسل‌های ابتدایی آن، تنها از SATA پشتیبانی می‌کنند؛ به‌همین دلیل بهتر است قبل از خریداری حافظه‌ی جدید، اطلاعات مربوط به مادربرد خود را مطالعه کنید یا به‌صورت آنلاین از سازگاری آن با استاندارد NVMe مطمئن شوید. همچنین دقت داشته باشید که درگاه MSATA که نسل قبلی M.2 به‌شمار می‌رود، شباهت بسیاری به آن دارد اما از قابلیت گفته‌شده پشتیبانی نمی‌کند.
از روی ظاهر یک درگاه نمی‌توان به پشتیبانی آن از PCIe و NVMe پی برد؛ اما می‌توان از نظر ظاهری میان درگاه PCIe x2 و PCIe x4 تفاوت قائل شد که تنها مورد دوم می‌تواند از استانداردهای گفته‌شده پشتیبانی کند. نمونه اول از کلید B شکل بهره می‌برد که موجب شده ۶ پین یا محل اتصال از بقیه جدا شوند. اصطلاح کلید به برآمدگی‌هایی در درگاه گفته می‌شود که روی فرورفتگی‌های موجود در حافظه قرار می‌گیرند. درگاه PCIe x4 از کلید M شکل استفاده می‌کند که علاوه‌بر برآمدگی قبلی، در طرف مخالف برآمدگی دیگری نیز دارد که پنج پین اتصال را از سایرین جدا می‌کند. البته قانون کلی برای این درگاه‌ها وجود ندارد اما بیشتر درگاه‌های دارای کلید B تنها از استاندارد SATA بهره می‌برند. امروزه درگاه‌های دارای هردو کلید B و M رایج هستند که قابلیت بهره‌گیری از تمامی استانداردها را دارند. گاهی به درگاه‌های گفته‌شده، نام دو سوکت و سه سوکت نیز اطلاق می‌شود.
اگر درگاه شما از نوع قدیمی‌تر بود باید از مبدل ۲۵ دلاری PCIe M.2 استفاده کنید. محصولاتی مانند M9Pe ساخت شرکت Plextor در بازار وجود دارند که تنها پس از قرارگیری در درگاه، قابل استفاده خواهند بود و هیچ عمل اضافی برای راه‌اندازی آن‌ها نیاز نیست. همچنین به‌عنوان یک کاربر ساده، باید از خرید نسخه ۲.۵ اینچی حافظه‌های NVMe خودداری کنید زیرا نیازمند رابط SFF-8639 هستند که برای حافظه‌های کوچک طراحی شده است. این رابط دارای ۴ مسیر نسل سوم PCIe، به‌همراه ۲ پورت SATA و چندین کانال جانبی است که از درگاه‌های ۳.۳ و ۱۲ ولتی برای تامین انرژی استفاده می‌کند. البته این رابط تنها در حافظه‌ها و سیستم‌های رده‌بالا و سازمانی دیده می‌شود. اگر شما از دارندگان رایانه‌های نادر دارای پورت تاندربولت هستید (مانند بسیاری از مادربردهای ایسوس)، می‌توانید از این پورت برای اتصال حافظه‌ی NVMe به دستگاه خود استفاده کنید که توان بسیار بالایی را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.
همه‌ی NVMeها یکسان نیستند
به‌صورت کلی هرنوع حافظه‌ی NVMe موجب سریع‌تر شدن رایانه‌ی شما می‌شود؛ اما همه‌ی آن‌ها شبیه یکدیگر نیستند. برای مثال حافظه‌ی 970 Pro ساخت سامسونگ می‌تواند فرایند خواندن اطلاعات را با سرعت ۳ گیگابایت بر ثانیه و نوشتن داده را با سرعت ۲.۵ گیگابایت در ثانیه انجام دهد درحالی که این مقادیر برای RC100 ساخت توشیبا، به‌ترتیب برابر با ۱.۲ گیگابایت بر ثانیه و ۹۰۰ مگابایت بر ثانیه است. اختلاف مدل‌های گوناگون حتی می‌تواند محسوس‌تر باشد هنگامی که حجم داده‌ی نوشته‌شده، بیشتر از حجم کش است. عامل‌های مختلفی مانند نوع کنترلر، تعداد و نوع واحد‌های NAND و تعداد مسیر‌های PCIe روی عملکرد حافظه تاثیر دارد. چندین مورد از تفاوت‌ها و توضیحات برخی از عوامل در ادامه، شرح داده شده است.
حافظه‌های NVMe SSD دارای اتصال PCIe x4 سریع‌تر از انواع PCIe x2 هستند.
افزایش تعداد چیپ‌های NAND موجب افزایش مسیر‌ها و واحدهایی می‌شود که کنترلر برای توزیع و ذخیره‌ی اطلاعات استفاده می‌کند. به‌همین دلیل حافظه‌هایی با ظرفیت کمتر معمولا نسبت به حافظه‌های حجیم‌تر، کندتر هستند؛ حتی اگر از یک مدل باشند.
نوع چیپ‌های NAND مورد استفاده در حافظه نیز روی سرعت آن تاثیرگذار است. چیپ‌های SLC سریع‌ترین هستند و سپس به‌ترتیب MLC و TLC قرار می‌گیرند و در نهایت نیز نوع QLC کمترین سرعت را دارد.
بیشتر کنترلرهای امروزی به‌صورت بهینه طراحی شده‌اند اما برخی از نمونه‌های ساخت اینتل یا سن‌دیسک هوشمند‌تر هستند و می‌توانند با مدیریت بهتر حافظه کش، سرعت نوشتن اطلاعات را افزایش دهند.
در نهایت باید گفت که با استفاده از حافظه‌های NVMe SSD می‌توانید تا مدت زیادی از رایانه یا لپتاپ خود استفاده کنید و دیگر نیازی به تعویض قطعات یا دستگاه نخواهید داشت؛ مگر اینکه گیمر باشید یا استفاده‌های سنگین پردازشی داشته باشید. سرعت بالای این نوع حافظه‌ها موجب می‌شود تا بیشترین استفاده از توان سایر قطعات رایانه خود از جمله پردازنده و کارت گرافیک را داشته باشید.
