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SSD技術の最新の動向：NVMe、SATA、M.2

NVMeの利点

NVMeは、優れたストレージ容量、スピード、互換性を提供します。NVMeはPCIeソケットを使用しているため、同等のSATAと比較して25倍のデータを転送できます。データ容量の増加のみならず、NVMeのコマンドはAHCIドライバーよりも2倍に高速化されています。NVMeの1秒あたりの入出力操作（IOPS）は100万を超え、AHCIドライブよりも最大9倍の高速性を実現します。また、NVMeはシステムCPUと直接通信できるため、互換性を通じて驚異的な速度を保ちます。NVMeドライブは、フォームファクタに関係なく、すべての主要なOSで動作します。

NVME LogoNVMe(不揮発性メモリエキスプレス)は、PCIeが提供する帯域幅の拡大を利用した通信インターフェースおよびドライバーです。パフォーマンスと効率性を向上させながら、多彩な企業やクライアントシステムで相互運用できるよう設計されています。NVMeはSSD用に設計されており、フォームファクタの制約を受けることなく、高速PCIeソケットを使用してストレージインターフェイスとシステムCPUとの間で通信します。

NVMeプロトコルは、高性能プロセッサ・アーキテクチャなどの基盤メディアへ並列型の低レイテンシなデータパスを利用します。このため、SASやSATAプロトコルと比較して、大幅に高いパフォーマンスと低いレイテンシを実現しています。NVMeは最大64Kまで複数のI/Oキューをサポートしており、各キューは64Kのエントリを持てます。
これにより、AHCI (アドバンスド・ホスト・コントローラー・インターフェース) などのレガシードライバを使用して、古いストレージモデルよりも多くのデータを高速に転送するための入出力タスクが可能になります。NVMeはSSD専用に設計されているため、最終的には新しい業界標準になるでしょう。

SSDストレージ：SATA と PCIe

データバスはシステム内でデータを転送します。NANDベースのSSDが登場した当初、新しいバスとプロトコルが必要であることが業界全体で明らかとなっていました。

  • 最初のSSDは比較的低速だったため、既存のSATAストレージインフラストラクチャを使用するのに便利でした。SATAバスが16Gbpsに進化しても、市販SATAバスのほとんどは6Gbpsのままです。
  • PCIe 3.0の総スループットは16Gbpsであるのに対し、PCIe 4.0のスループットはPCIe 3.0の2倍となっています。PCIe 4.0は最大16レーンを提供し、最大32,000MB/秒までデータを転送できます。SATA IIIは600MB/秒が限界です。

既存の高帯域幅バス技術を活用する決定が下されたため、SATAプロトコルがPCIe技術に置き換えられました。PCIeストレージは NVMeよりも数年前に登場しましたが、以前のソリューションではSATAやAHCIなどの古いデータ転送プロトコルがボトルネックとなっていたため、最近までその能力をフルに発揮することができませんでした。NVMeはボトルネックの解決策として、低レイテンシのコマンドや64Kキューを提供することで限界を克服しています。マルチキューでは、ハードディスクのように回転するディスクに書き込むのではなく、チップやブロックを使ってデータが散在した状態でSSDに書き込まれるため、より高速なデータ転送が可能になります。

通信ドライバー：AHCI 対NVMe

通信ドライバーは、OSがストレージデバイスとデータ通信する際に使用されます。NVMeドライバーは、SATAインタフェースで一般的に見られるAHCIドライバよりも高速です。

  • NVMeはフラッシュ技術を搭載したSSD専用に設計されており、回転ディスク技術を搭載して一般的なハードドライブ用に設計されたAHCIドライバーよりも高速です。
  • NVMeは64000のコマンドキューを持ち、1キューあたり64000のコマンドを送信できるのに対し、AHCIは1つのコマンドキューしか持たず、1キューあたり32のコマンドしか送信できません。
  • AHCIドライバでは、コマンドは6μ秒のレイテンシで高CPUサイクルを利用しますが、NVMeドライバのコマンドは2.8μ秒のレイテンシで低CPUサイクルを利用します。

NVMeドライバーはシステムCPUと直接通信できますが、AHCIはSATAコントローラと通信する必要があります。
AHCIの IOPS (1秒あたりの入出力操作) は10万までですが、 NVMe のIOPSは100万を超えています。 IOPS (1秒あたりの入出力操作、i-ops) は、コンピュータのストレージデバイスのベンチマークに使用される一般的な性能測定値です。

NVMe SSDのフォームファクタ

NVMe SSDには様々なフォームファクタがあり、各ユースケースやアプリケーションに応じて指定されます。

  • 個人用途/クライアント製品はBGAとM.2フォームファクタを使用します。
  • データセンター/サーバーアプリケーションは、M.2、U.2、U.3、EDSFFフォームファクタを使用します。

インフォグラフィックのダウンロード

EDSFF（エンタープライズとデータセンターのSSDフォームファクタ）では規格の開発が続けられており、同じプロトコル（NVMe）とインターフェイス（PCIe）を共有しつつ、独自のエッジコネクタ（SFF-TA-1002）、ピンアウトと機能（SFF-TA-1009）を使用するダイナミックなフォームファクタと規格の範囲が提供される予定です。

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