在數位轉型的時代，重要的業務和技術決策本質上是由更好、更快地存取資料所驅動的。企業系統必須滿足對彈性物聯網解決方案不斷成長的需求，這些解決方案可提供即時洞察、工作負載整合和最小延遲。
固態硬碟 (SSD) 是一種電腦儲存裝置。與依賴旋轉磁盤的傳統硬碟 (HDD) 不同，SSD 使用半導體晶片來儲存和檢索記憶體。由於沒有任何活動部件，SSD 具有更堅固的基礎設施，並且比 HDD 更快地存取資料。
圖片 1：HDD 與 SSD
目前主要有兩種讀寫資料的方法：SATA 和 NVMe。為了增加頻寬和減少延遲，NVMe 是專為 SSD 存取快速儲存媒體而開發。另一方面，SATA 是一種用於連接 SSD、HDD 和光碟機的成熟儲存協定。然而，SATA SSD 需要一個介面控制器，這可能會限制資料傳輸並限制 CPU 性能。與包括 SATA 在內的其他舊介面相比，NVMe 效率更高、可擴展性更強，並提供低延遲的儲存存取。
在此部落格中，我們將解釋儲存技術：NVMe 和 SATA、它們的主要差異，為何 NVMe 對於加固型邊緣運算很重要，以及 Premio 如何將 NVMe 整合到加固型邊緣運算中。
什麼是 NVMe？
NVMe，或稱非揮發性記憶體高速介面，是一種資料儲存協定，透過 PCI Express (PCIe) 匯流排 (1) 將主機連接到記憶體子系統。這種介面規範大大緩解了資料瓶頸，帶來了各種性能改進，包括多個指令佇列和減少延遲。
NVMe 外形尺寸和標準
外形尺寸是指 SSD 的物理尺寸。NVMe 規範是所有外形尺寸的 PCIe 固態硬碟 (SSD) 的行業標準，其中包括 (2)：
- 標準 2.5 吋 U.2 硬碟。
- M.2 模組，以前稱為下一代外形尺寸 (NGFF)。
- 附加卡 (AIC)。
- 企業和資料中心 SSD 外形尺寸 (EDSFF)。
圖片 2：M.2 外形尺寸
此外，NVMe 介面具有以下屬性，以實現企業功能，例如端到端資料保護、改進的錯誤報告和虛擬化 (3)：
- 與每個 I/O 佇列相關的優先順序，具有明確定義的仲裁機制。
- 高效且簡化的指令集。
- 支援多個命名空間。
- 高效支援 I/O 虛擬化架構。
- 支援多路徑 I/O 和命名空間共享。
有關 NVMe 介面功能的更多資訊，請參閱 nvmexpress.org 上的 NVMe 1.4a 規範。
什麼是 SATA？
SATA，或稱 Serial ATA，是一種用於連接 SSD、HDD 和光碟機的成熟協定。自 2000 年推出以來，該標準經歷了數次性能增強的修訂。例如，SATA I 的資料傳輸速率可達 150 MB/s，而 SATA III 的速度可達 600 MB/s。
然而，SATA SSD 需要一個介面控制器，這可能會限制資料傳輸並限制 CPU 性能。具體而言，SATA 使用高級主機控制器介面 (AHCI)，它包含一個單一佇列區塊 I/O 層，將資料從主機傳送到 SSD。下圖 1 比較了在主機中支援 SATA 和 NVMe SSD 的區塊 I/O 層類型。
圖 1：區塊 I/O 層類型 (4)
如圖 1 所示，AHCI 和 NVMe 介面控制器之間的主要區別在於區塊 I/O 層的類型。AHCI 具有單佇列 I/O 區塊層（圖 1a），這表示每個 CPU 核心上執行的任務的所有 I/O 請求都是透過單一請求佇列處理的。這從根本上導致了瓶頸，因為單一佇列無法充分利用儲存的全部潛力。另一方面，NVMe 採用多佇列區塊 I/O 層，這顯著提高了可擴展性。為了減少延遲，多佇列區塊 I/O 層採用兩層佇列（圖 1b）：軟體佇列 (SWQ) 和硬體佇列 (HWQ)。任何 CPU 核心上執行的任務都可以發送到映射到該核心的相應 SWQ，從而消除了 CPU 核心競爭單一請求佇列所造成的延遲。總而言之，NVMe SSD 具有高度可擴展的架構，可充分利用 SSD 的內部並行性，從而緩解與效能瓶頸相關的問題。
通訊驅動程式：SATA 與 NVMe
鑑於這些通訊驅動程式在架構上的根本差異，它們在儲存裝置相容性、效能和資料延遲等各方面均具有不同的特性。以下摘要了 SATA 和 NVMe 之間的主要差異：
圖 2：電腦儲存技術
NVMe 的主要優勢
- 低延遲：NVMe 透過增加頻寬和內部並行性，消除了傳統儲存協定中存在的 I/O 瓶頸，從而減少了讀取和寫入資料的延遲。
- 可擴展的效能：NVMe 透過與 PCIe 3.0 通道直接接觸來傳輸資料，這可緩解連接技術中可能發生的資料瓶頸。此功能提供邊緣反射推理分析所需的可擴展效能。
- 可靠的儲存：NVMe 將資料儲存在沒有移動部件的快閃記憶體中。這最大限度地降低了發生災難性故障的機率，並有助於邊緣裝置的耐用性。
- 高效能：NVMe 架構包含用於調節 SSD 功率的功能。高效的電源管理將有助於企業實現最佳的總擁有成本 (TCO) 並延長電池壽命 (5)。
為什麼 NVMe 對於強固型邊緣運算至關重要？
NVMe技術為強固型邊緣帶來了新的應用。隨著智能設備數量的增加，邊緣運算需要更多的頻寬和處理能力。憑藉NVMe的可擴展效能和低延遲數據傳輸能力，智能應用將透過更快、更高效的數據處理獲得顯著優勢。例如，機器學習演算法將需要快速的非揮發性儲存裝置來進行人工智慧訓練和推理。同時，有價值的數據將會被過濾回資料中心，以實現先進的物聯網管理，從而推動核心對更快儲存裝置的需求。因此，NVMe技術的應用將不僅僅是「錦上添花」，考慮到數據的持續成長和物聯網設備的廣泛採用，它可能會成為必要。
Premio如何在強固型邊緣運算中融入NVMe？
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VCO-6131E-4M2 AI 邊緣推論電腦，加入新一代的處理和儲存技術行列。其快速的 NVMe 儲存和高速 I/O 擴充功能，能夠有效收集和處理資料以訓練智能機器，快速將重要資料卸載到雲端檔案，實現更進階的物聯網管理。 強大的 GPU 擴充功能可即時將有根據的演算法應用於關鍵邊緣網路位置的推論分析任務。此外， 堅固的硬體架構可保護 AI 邊緣推論電腦在惡劣環境下正常運作，而無縫連接則可確保遠端和 分散位置的可靠通訊。 因此，AI 邊緣推論電腦是 各種 應用的理想 堅固型邊緣 解決方案，包括工業自動化、計量與缺陷檢測、監控、智慧城市和智慧零售。
參考文獻：
- Hernandez (2018)。 NVMe 與 SATA：儲存技術比較。
- Metz 和 Lynn (2018)。NVMe™ 外型規格部落格系列第二部分：「NVMe 建構區塊 — 控制器、緩衝記憶體、媒體和外型規格」。
- NVM Express 基本規格。NVMExpressTM 修訂版 1.4a。
- Kim, S.、Kim, K.、Shin, H. 和 Kim, T. (2020)。NVMe 固態硬碟中使用者體驗的實際強化。應用科學，10(14)，4765。
- NVMe™ 技術電源管理功能。