Первые твердотельные накопители для подключения к материнской плате использовали наиболее распространенные на тот момент протоколы и интерфейс SATA/SAS. Этот шаг был оправдан: производители получили возможность упростить процесс разработки и сборки накопителей, а пользователи имели возможность также сменить накопитель без дополнительных затрат. Однако ни один из используемых протоколов и интерфейсов не мог обеспечить достаточную скорость передачи данных, снижая производительность системы в целом.
Появление PCIe немного улучшило ситуацию, но первые SSD с интерфейсом PCIe использовали разные корпоративные стандарты, что сильно тормозило массовое внедрение. Стала очевидна необходимость разработки единого протокола для работы с SSD-накопителями, популярность которых только увеличивалась. Таким интерфейсом стал NVMe (полное название — Non-Volatile Memory Express), который быстро стал популярным и в настоящее время используется для подключения практически во всех популярных SSD.
Данный протокол спроектирован специально для эксплуатации преимуществ твердотельных накопителей, подключаемых по шине PCIe, позволяя обеспечить высокую скорость передачи данных. Используемый ранее SATA SSD использует только одну очередь, максимальная глубина которой составляет 32 команды. Новый протокол NVMe способен одновременно обрабатывать 65000 очередей с аналогичной глубиной команд.
В качестве аналогии из повседневной жизни можно представить огромный супермаркет, в котором предусмотрена только одна касса. Это и будет работа SATA SSD. Можно представить, насколько сократится время обслуживания, если количество касс будет увеличено до 65 тысяч. Конечно, в повседневной работе накопитель физически не сможет задействовать все очереди, зато обеспечен запас пропускной способности на будущее.
Также пропускная способность увеличивается за счет внедрения технологии прерывания, что позволяет ускорить обработку наиболее важным инструкциям. При этом нескольким ядрам ЦП дается возможность совместно контролировать несколько очередей, распределяя приоритеты.
Опять можно привести аналогию из жизни: на дороге длинная пробка, которую автомобили проезжают в порядке своей очереди. Но если к пробке подъедет автомобиль со спецсигналом, ему позволят проехать вне очереди.
Помимо этого переход на NVMe позволил исключить из пути передачи информации контроллер SATA, который используется при работе накопителей с интерфейсом AHCI. В NVMe предусмотрена возможность напрямую взаимодействовать с системным процессором, что приводит к резкому увеличению IOPS (параметр указывает количество операций ввода/вывода за одну секунду): более 1 миллиона, против 100 тысяч при использовании AHCI.
Увеличена и скорость работы с ОЗУ, особенно при работе с небольшими блоками информации. Более старый протокол инициировал две операции в ОЗУ, теперь достаточно одного запроса при работе блоками по 4 Кбайт.
Внедрение протокола NVMe позволило раскрыть аппаратные возможности SSD дисков. Если стандартный SATA SSD имеет физическое ограничение скорости 560 Мбайт/с при последовательном доступе к памяти, NVMe имеет скорость в несколько раз выше. Например, не самый производительный накопитель WD Black WDS100T3X0C обеспечивает максимальную скорость записи данных 3000 Мбайт/с, в режиме последовательного чтения – до 3470 Мбайт/с. Параметр IOPS у данной модели составляет 560000.