Tegenwoordig eist iedereen, van gamers en video-editors tot managers van softwarestartups die apps in de cloud lanceren, snellere oplossingen voor gegevensopslag. De reden is simpel: betere opslagtechnologieën betekenen snellere, beter presterende computeromgevingen. Voor gamers betekent dit minder vertragingstijd; voor editors betekent dit kortere videoweergaven; en voor bedrijven betekent dit dat ze werklasten snel en soepel in de cloud kunnen uitvoeren. 

Helaas kan het kiezen van de juiste oplossing lastig zijn. Onbekende termen, complexe technische specificaties en een schijnbaar eindeloos aantal mogelijke opties vertroebelen het water. Om het veld te verkleinen en gebruikers te helpen de oplossing te vinden die geschikt is voor hun behoeften, kijken we naar twee van de populairste beschikbare technologieën voor gegevensopslag: NVMe en SATA.

• NVMe (niet-vluchtig geheugen express) is een protocol voor zeer parallelle gegevensoverdracht met verminderde systeemoverhead per input/output per seconde (I/O of iops) dat wordt gebruikt in Flash opslag en solid-state schijven (SSD's).
• SATA (seriële geavanceerde technologie-bijlage) is een protocol dat voorschrijft hoe gegevens worden verplaatst tussen een computer en een opslagapparaat, zoals een harde schijf (HDD).

Zowel NVMe- als SATA-protocollen ondersteunen SSD's, een technologie die de afgelopen tien jaar HDD's heeft vervangen als de industriestandaard voor consumenten- en professionele toepassingen en zakelijke workloads. In tegenstelling tot HDD's, die een inherente latentie en toegangstijd hebben, vertrouwen SSD's op flashgeheugen en hebben ze geen bewegende delen, waardoor ze veel sneller zijn.

Wat is een solid-state schijf (SSD)?

SSD's zijn op halfgeleiders gebaseerde opslagapparaten die afhankelijk zijn van flash-geheugen om persistente gegevens in computersystemen op te slaan. In tegenstelling tot magnetische opslag (zoals HDD's en diskettestations) die gegevens opslaan met behulp van magneten, gebruiken solid-state opslagschijven NAND-chips, een niet-vluchtige opslagtechnologie die geen stroombron nodig heeft om de gegevens te behouden. Volgens een recent Gartner-rapport (link bevindt zich buiten ibm.com), overtreffen SSD's momenteel HDD's als de geprefereerde industriestandaard voor gestructureerde dataworkloads.

Wat is NVMe?

NVMe (non-volatile memory express) is een toegangs- en transportprotocol voor gegevensopslag voor SSD's dat een betere doorvoer en snellere responstijden biedt dan zijn concurrenten. Het is gebouwd voor krachtige, niet-vluchtige opslagmedia, waardoor het een uitstekende oplossing is voor de meest veeleisende computeromgevingen van vandaag.

NVMe kan bedrijfsworkloads implementeren met een kleinere infrastructuurvoetafdruk en minder stroom dan de veelgebruikte Small Computer System Interface (SCSI). NVMe-schijven kunnen betere responstijden leveren dan HDD's vanwege verbeteringen aan het apparaatstuurprogramma, waardoor parallellisme en polling mogelijk zijn en de latentie om CPU-knelpunten te voorkomen.

NVMe-opslagtechnologie is ontworpen ter vervanging van de Serial Advanced Technology Attachment (SATA) en Serial Attached SCSI (SAS)-protocollen die de industriestandaard waren tot de introductie van NVMe in 2011. Naast de verbetering van de gegevensopslagcapaciteit en overdrachtstechnologie heeft NVMe ook bijgedragen aan de ontwikkeling van andere belangrijke technologieën die zich rond dezelfde tijd ontwikkelden, waaronder de Internet of Things (IoT), kunstmatige intelligentie (AI) en machinaal leren (ML).

Peripheral Component Interconnect Express (PCIe)-bus

Een van de belangrijkste verschillen tussen NVMe SSD's en SATA SSD's is dat NVME SSD's een Peripheral Component Interconnect Express (PCIe)-bus gebruiken om toegang te krijgen tot flash-opslag. Met deze functie kan een NVMe SSD de ‘middleman’-controller verwijderen, waardoor de latentie wordt verminderd. NVMe's kunnen echter ook op elk type 'fabric'-verbinding draaien, zoals Fibre Channel en Ethernet, en binnen Ethernet, iWarp, RoCEv2, iSER en NVMe-TCP.

Parallelle opdrachtwachtrijen

In tegenstelling tot schijven die het SCSI-protocol gebruiken, die slechts één opdrachtwachtrij kunnen inzetten, kunnen NVMe SSD's tienduizenden parallelle opdrachtwachtrijen tegelijk uitvoeren. Bij NVMe SSD's is de verbindingsmethode onafhankelijk van het protocol; De NVMe PCIe-connector heeft bijvoorbeeld toegang tot een enkele schijf via een PCIe-link waarop het NVMe-protocol draait.

m.2 NVMe-schijven

M.2 SSD's zijn een vormfactor of connector die wordt gebruikt in SSD's. Hoewel de term vaak door elkaar wordt gebruikt met NVMe, zijn het eigenlijk twee verschillende soorten opslagtechnologieën. Terwijl NVMe wordt aangesloten op een PCIe-slot op een moederbord, waardoor de gegevensoverdrachtsnelheden toenemen, zijn m.2 NVMe SSD's een fysieke vormfactor die krachtige opslag mogelijk maakt in kleine apparaten met weinig stroom, zoals ultradunne laptops en tablets.

Wat is SATA?

De afgelopen vijftien jaar is SATA (Serial Advanced Technology Attachment) de meest populaire interface geweest voor het verplaatsen van gegevens tussen de printplaat van een computer en een intern of extern opslagapparaat. Tot voor kort bevatten vrijwel alle desktops en laptops SATA-compatibele hardware. Met de groeiende populariteit van SSD's en de ontwikkeling van NVMe-technologie die speciaal daarvoor is ontworpen, begint de populariteit van SATA de afgelopen jaren echter af te nemen.

SATA werd in 2003 uitgebracht als een verbetering van Parallel Advanced Technology Attachment (PATA), een industriestandaard voor interne diskettes, HDD's en optische schijfstations. Toen de SATA-protocolspecificaties voor het eerst werden gepubliceerd in 2003, werd het onmiddellijk duidelijk dat dit een aantal belangrijke voordelen had ten opzichte van PATA-interfaces, waaronder de volgende:

• Hogere gegevensoverdrachtsnelheden zorgen voor kortere laadtijden van programma's en documenten en een betere beeldkwaliteit.
• Compactere kabelopties zorgen voor eenvoudiger kabelgeleiding en verbeterde computerventilatie.
• Verbindingen met een lagere spanning helpen vervorming en overspraak te verminderen.
• Differentiële signalering voor snelle gegevensoverdracht met minder stroomverbruik. 

Een van de voordelen die SATA nog steeds heeft ten opzichte van NVMe is de compatibiliteit met oudere hardware. SATA HDD's en SSD's zijn via controllerhardware op een moederbord aangesloten. In de eenvoudigste configuratie (IDE-modus) kan de aangesloten harde schijf worden herkend als een PATA-apparaat. Dit zorgt voor een grotere compatibiliteit met oudere systemen, maar met een afname van de prestaties wanneer de SATA-schijf in IDE-modus staat.

Als compatibiliteit met een ouder apparaat geen vereiste is, kunnen gebruikers een SATA-controller instellen op de Advanced Host Controller Interface (AHCI)-modus voor betere prestaties. De AHCI-modus ondersteunt ook externe interfaces en het hot swappen van schijven: het verwijderen en bevestigen van schijven zonder uit te schakelen.

Een andere SATA-modus, de Redundant Array of Independent Disks (RAID)-modus, biedt een extra laag gegevensbescherming door gebruikers de mogelijkheid te geven kopieën van dezelfde gegevens op verschillende locaties op te slaan, zoals meerdere HDD's of SSD's. 

Externe SATA

Externe SATA (eSATA) is een ander belangrijk kenmerk van SATA-technologie dat ondersteuning biedt voor externe schijven via specifieke plug-in-zones die poorten worden genoemd. eSATA is sneller dan zijn concurrenten en compatibel met veel bestaande schijfstationtechnologieën, zoals HDD's, diskettestations, verwisselbare schijven, Blu-rays, cd-roms en dvd's. Er zijn veel voorkomende toepassingen voor eSATA-schijven, waaronder video- en audiobewerking en gegevensback-up.

NVMe versus SATA: een vergelijking naast elkaar

In een directe vergelijking waarbij alleen snelheid en prestaties in aanmerking worden genomen, is het NVMe-protocol veel beter dan SATA. Terwijl SATA is ontworpen als een SCSI-opslaginterface om de overdracht van gegevens specifiek van en naar HDD's te vergemakkelijken, is NVMe specifiek ontworpen voor gebruik met SSD's die flashtechnologie gebruiken.

Volgens een Rapport van de International Data Corporation (IDC) uit 2023 (link bevindt zich buiten ibm.com), is NVMe ontworpen om de gegevensoverdracht te versnellen naar systemen die zijn aangesloten via een PCI express (PCIe) - een seriële uitbreidingsbus die standaard is voor het aansluiten van een computer op een of meer randapparaten.

Vanwege hun ontwerpverschillen is NVMe beter uitgerust om PCIe-sockets te gebruiken en gegevens over te dragen tussen opslag en een CPU dan SATA. Toen HDD's nog de industriestandaard waren voor het opslaan en openen van gegevens, was SATA zinvol, maar naarmate SSD's populairder begonnen te worden, werd NVMe al snel een betere optie voor de meeste gebruikers. Bovendien zorgt het gestroomlijnde protocol van NVMe ervoor dat het beter past dan SATA voor real-time toepassingen zoals ML en AI, die de afgelopen jaren enorm in populariteit zijn toegenomen. NVMe is ook goed gepositioneerd om ondersteuning te bieden hybride cloud, multicloud en mainframe-opslagomgevingen vanwege de ingebouwde hoge prestaties en gegevensbescherming.

Er zijn echter nog steeds enkele gevallen waarin SATA voor bepaalde gebruikers zinvol is. SATA is bijvoorbeeld nog steeds betaalbaarder dan NVMe, hoewel de populariteit van NVMe SSD's de prijs omlaag drijft. Hier is een vergelijking van de twee technologieën op basis van mogelijkheden.

Snelheid en prestaties

NVMe SSD's kunnen veel hogere snelheden en prestaties leveren dan SATA SSD's, omdat ze NVMe-opdrachten sneller kunnen verzenden en ontvangen en een betere doorvoer leveren. Terwijl NVMe SSD's PCIe gebruiken om SSD-opslag rechtstreeks op een server of centrale verwerkingseenheid (CPU) aan te sluiten, gebruiken SATA SSD's de Serial ATA Express-businterface, die langzamer is.

bandbreedte

De PCIe-verbinding die NVMe gebruikt is groter en heeft meer bandbreedte dan een SATA-poort. Bovendien verdubbelt elke generatie PCIe de bandbreedte van de vorige generatie. SATA daarentegen heeft verbindingen met een lagere bandbreedte dan PCIe en is vast, zodat de verbindingen niet verbeteren bij gelijktijdige generaties. PCIe-verbindingen zijn ook schaalbaarder dan SATA omdat ze gebruik maken van ‘lanes’ waarmee gebruikers de bandbreedte in dezelfde generatie kunnen verdubbelen.

Parallellisme

Een van de belangrijkste kenmerken van NVMe is de mogelijkheid om gelijktijdige bewerkingen tegelijk uit te voeren op meerdere threads, ook wel parallellisme genoemd. NVMe SSD's hebben een wachtrijdiepte van 64,000, terwijl SATA slechts 32 I/O-verzoeken tegelijk in een wachtrij kan ondersteunen. NVMe maakt gebruik van parallelle opdrachtwachtrijen en een “polling-lus” in plaats van de op “interrupt” gebaseerde apparaatdriver van zijn voorgangers, waardoor de latentie en systeemoverhead worden verminderd.

Compatibiliteit

Als het gaat om nieuwere technologieën, zoals AI, ML en de cloud, is NVMe een veel compatibelere optie dan SATA, omdat het in dezelfde periode parallel aan die technologieën werd ontwikkeld. NVMe werkt ook naadloos samen met alle moderne besturingssystemen, waaronder mobiele telefoons, laptops en gameconsoles. Als het echter om compatibiliteit met oudere technologieën (zoals HDD's) gaat, zijn veel oudere apparaten die SATA ondersteunen niet compatibel met NVMe omdat ze niet over de noodzakelijke aansluitingen voor de NVMe PCIe-sockets beschikken.

Kosten

Hoewel zowel NVMe als SATA de afgelopen jaren betaalbaarder zijn geworden, zijn SATA SSD's nog steeds iets betaalbaarder. Een 2.5 inch Samsung 1TB SATA-schijf kost bijvoorbeeld iets meer dan $100, terwijl het NVMe-equivalent ongeveer $170 kost (op het moment van schrijven). De prijzen voor SSD's op bedrijfsniveau variëren nog meer en lopen vaak in de duizenden. Hoewel NVMe de industriestandaard is geworden voor zakelijke workloads, worden SATA SSD's nog steeds veel gebruikt op pc-builds in plaats van HDD's, omdat ze aanzienlijk sneller zijn.

NVMe- en SATA-gebruiksscenario's

De keuze tussen NVMe en SATA hangt af van de behoeften van een gebruiker. Voor pc's is SATA onbetwist een goedkopere optie als een gebruiker bereid is minder snelheid te accepteren. Voor zakelijke behoeften op ondernemingsniveau worden de voordelen van het gebruik van NVMe moeilijker te negeren, zelfs als de prijs stijgt. Hier zijn enkele voorbeelden van toepassingen in de echte wereld van beide technologieën:

NVMe-gebruiksscenario's

• Hoge performantie computergebruik (HPC): De hoge snelheden van NVMe en het vermogen om parallelle verwerking te verwerken, maken het een goede keuze voor een breed scala aan krachtige computertoepassingen, waaronder hoogfrequente financiële handel, AI en ML.
• Veeleisende toepassingen: Veel apps die realtime klantinteracties vereisen in een datarijke omgeving, zoals apps voor persoonlijke financiën en e-commerce, vertrouwen op NVMe-opslag om hun bedrijfsworkloads uit te voeren.
• Datacenters: NVMe SSD's helpen velen datacenters over de hele wereld breiden hun mogelijkheden voor gegevensopslag uit en leveren toch hoge prestaties. Volgens een Enterprise Strategy Group-rapport (link bevindt zich buiten ibm.com), maakt bijna driekwart van de organisaties al gebruik van NVMe-gebaseerde SSD-opslag of is van plan hier volgend jaar naar over te stappen.

SATA-gebruiksscenario's

• Oudere componenten: SATA is "achterwaarts compatibel", wat betekent dat het veilig kan worden gebruikt met oudere hardware en software. In tegenstelling tot NVMe SSD's belast een SATA SSD de componenten van een oudere computer, zoals een processor, niet.
• Video bewerking: Voor veel video-editors maken de lagere prijs en hoge snelheden van SATA SSD's (vergeleken met HDD's) ze een aantrekkelijke optie. De snelheid van SATA SSD's is voldoende voor hun vereisten. Het verschil tussen een SATA SSD en een NVMe SSD in een videobewerkingsomgeving is alleen merkbaar bij beelden met een hoge bitsnelheid (2,000 Mbps of hoger) of bij een project waarbij beelden van meerdere camera's tegelijkertijd moeten worden bewerkt.
• Audioproductie: Net als bij videobewerking vereist audioproductie zelden het soort snelheden waarvoor een NVMe SSD is gebouwd, waardoor SATA een acceptabel alternatief is. Muziekproductie vereist bijvoorbeeld zelden veel lees- of schrijfsnelheid, tenzij editors met talloze samples werken. SATA SSD's werken prima voor de meeste audioproductiebehoeften en zijn goedkoper.

IBM, NVME en SATA

Voor veel gebruikers zijn SATA SSD's snel genoeg om te voldoen aan hun dagelijkse behoeften op het gebied van gegevensopslag en -overdracht. Tegen een lagere prijs blijven ze – althans voorlopig – een aantrekkelijke optie. Op bedrijfsniveau is NVMe echter hard op weg de industriestandaard te worden.

IBM Storage FlashSystem 5200 biedt compacte, krachtige opslag, samen met alle voordelen die NVMe-opslag te bieden heeft. Deel van de IBM Storage FlashSystem familie verenigt de 5200 databeheer over de core, cloud en edge, en is ontworpen in een revolutionaire 1U-vormfactor. De 5200 helpt bedrijven grotere snelheid, prestaties en schaalbaarheid te bereiken met hun gegevensopslagoplossing.

Ontdek IBM Storage FlashSystem 5200