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Los protocolos de almacenamiento dise?ados para las unidades mec¨¢nicas han limitado el rendimiento del flash durante m¨¢s de una d¨¦cada. Las unidades de estado s¨®lido proporcionan un hardware con capacidad de microsegundos, pero los protocolos tradicionales como SATA y SAS a?aden cientos de microsegundos de latencia innecesaria a trav¨¦s de sus arquitecturas de cola ¨²nica y sus capas de traducci¨®n de protocolos ¡ªbasados en los puntos de referencia del sector y las implementaciones en el mundo real¡ª.

NVMe (Non-Volatile Memory Express) es un protocolo de almacenamiento dise?ado espec¨ªficamente para las unidades de estado s¨®lido que se conecta directamente a trav¨¦s de la interfaz PCIe, eliminando los cuellos de botella de los protocolos de la era del disco. En lugar de canalizar comandos a trav¨¦s de una ¨²nica cola como SATA, NVMe permite hasta 64 000 colas con 64 000 comandos cada una, lo que cambia fundamentalmente la manera en que el almacenamiento se comunica con los procesadores multin¨²cleo modernos.

Pero lo que la mayor¨ªa de las discusiones pasan por alto es que el simple hecho de a?adir unidades NVMe no es suficiente si su sistema sigue traduci¨¦ndose entre protocolos, convirtiendo NVMe en SCSI y de nuevo en varios puntos de la ruta de datos.

Esta gu¨ªa examina la arquitectura de NVMe, cuantifica sus ventajas de rendimiento en el mundo real y explica por qu¨¦ es importante la implementaci¨®n de NVMe de extremo a extremo.

C¨®mo NVMe revolucion¨® la arquitectura de almacenamiento

Durante dos d¨¦cadas, los protocolos de almacenamiento se han dise?ado teniendo en cuenta las limitaciones mec¨¢nicas. SATA y SAS asumieron que los dispositivos de almacenamiento necesitaban tiempo para buscar f¨ªsicamente los datos, incorporando una sobrecarga de comandos que ten¨ªa sentido cuando los platos de disco ten¨ªan que girar a su posici¨®n. Estos protocolos canalizan todos los comandos a trav¨¦s de una ¨²nica cola ¡ªadecuada para las b¨²squedas mec¨¢nicas, pero catastr¨®fica para la memoria flash capaz de responder en microsegundos¡ª.

El desajuste del protocolo queda claro en los n¨²meros. SAS admite hasta (seg¨²n la especificaci¨®n SAS-3) en su cola ¨²nica, mientras que las SSD empresariales gestionan miles de operaciones simult¨¢neas. Estos protocolos tradicionales requieren m¨²ltiples capas de traducci¨®n: las aplicaciones env¨ªan comandos NVMe que se traducen a SCSI, luego a SATA o SAS y luego potencialmente a NVMe a nivel de unidad. Cada traducci¨®n a?ade de 50 a 200 microsegundos de latencia.

Por qu¨¦ Flash necesitaba su propio protocolo

NVMe surgi¨® en 2011 para eliminar las penalizaciones por traducci¨®n. En lugar de readaptar los protocolos de disco, el consorcio NVM Express dise?¨® un protocolo que no presupone ning¨²n componente mec¨¢nico. NVMe , eliminando el an¨¢lisis de la sobrecarga y manteniendo al mismo tiempo una funcionalidad completa.

El protocolo conecta el almacenamiento directamente a las CPU a trav¨¦s de los carriles PCIe, la misma interfaz de alta velocidad utilizada para las tarjetas gr¨¢ficas. Esto sit¨²a al almacenamiento como un compa?ero de otros componentes de alto rendimiento en lugar de relegarlo detr¨¢s de las capas de traducci¨®n. Con PCIe Gen 4 que proporciona de banda, NVMe permite que el flash funcione sin limitaciones.

C¨®mo funciona NVMe: Arquitectura y componentes

La arquitectura de NVMe se replantea fundamentalmente la comunicaci¨®n del almacenamiento. En lugar de los adaptadores de bus host tradicionales, el almacenamiento NVMe parece a la CPU como I/O mapeadas por memoria, lo que permite el acceso directo sin sobrecarga de n¨²cleo para las operaciones cr¨ªticas.

Arquitectura de cola y optimizaci¨®n de CPU

Los procesadores modernos contienen docenas de n¨²cleos, pero los protocolos de almacenamiento tradicionales los canalizan a todos a trav¨¦s de una ¨²nica cola I/O. NVMe asigna pares de cola dedicados a cada n¨²cleo de CPU, eliminando la contenci¨®n de bloqueo y permitiendo un verdadero procesamiento paralelo.

Cuando una aplicaci¨®n necesita datos, coloca comandos en colas de env¨ªo a trav¨¦s de sencillas escrituras de memoria, sin necesidad de llamadas al sistema. El controlador NVMe procesa comandos de manera independiente y coloca los resultados en colas de finalizaci¨®n. Este modelo as¨ªncrono significa que las CPU pr¨¢cticamente no pasan ciclos esperando al almacenamiento.

Carriles PCIe y ancho de banda

Los dispositivos NVMe se conectan a trav¨¦s de carriles PCIe y cada carril proporciona un ancho de banda bidireccional. Un SSD NVMe t¨ªpico utiliza , que proporcionan hasta 8GB/s con PCIe Gen 4. Las cabinas empresariales agregan m¨²ltiples dispositivos para un rendimiento a¨²n mayor.

Pero el ancho de banda por s¨ª solo no determina el rendimiento. La latencia ¡ªel tiempo entre la solicitud y la respuesta¡ª suele ser m¨¢s importante para las cargas de trabajo transaccionales. La conexi¨®n PCIe directa de NVMe elimina m¨²ltiples transiciones de bus y conversiones de protocolo que plagan las implementaciones SATA.

Ventajas del rendimiento NVMe: N¨²meros reales, no marketing

El marketing del sector del almacenamiento a menudo hace afirmaciones vagas, como "r¨¢pida" o "ultrarreceptiva". Sin embargo, NVMe proporciona ventajas reales.

Seg¨²n las y las, las lecturas flash NAND brutas tardan aproximadamente 100 microsegundos. Sin embargo,, mientras que las SSD NVMe logran 20-100 microsegundos, lo que demuestra c¨®mo la sobrecarga del protocolo puede igualar o superar el tiempo real de acceso a los medios.

IOPS e impacto en el mundo real

Un ¨²nico dispositivo NVMe puede proporcionar para lecturas aleatorias de 4KB, un rendimiento que requiere docenas de SSD SATA. Las bases de datos Oracle en NVMe de extremo a extremo NVMe muestran:

• M¨¢s transacciones por segundo
• Reducci¨®n del tiempo de respuesta a las consultas
• Menos eventos de espera relacionados con el almacenamiento

Eficiencia energ¨¦tica

La eficiencia de NVMe agrava sus beneficios de rendimiento. Al eliminar la sobrecarga del protocolo:

• SSD SATA: ~10.000 IOPS por vatio
• SSD NVMe: ~50.000 IOPS por vatio

NVMe-oF: Ampliaci¨®n de la NVMe m¨¢s all¨¢ del acoplamiento directo

NVMe over Fabrics ampl¨ªa los beneficios de NVMe en todos los centros de datos, lo que permite el almacenamiento compartido sin sacrificar las ventajas de latencia. Pero las opciones de implementaci¨®n afectan dr¨¢sticamente al rendimiento.

NVMe por fibre channel (FC-NVMe)

FC-NVMe utiliza la infraestructura SAN existente, lo que la hace atractiva para las empresas que invierten fibre channel. Requiere conmutadores de 5a generaci¨®n (16 Gb) o de 6a generaci¨®n (32 Gb) que admitan el reenv¨ªo NVMe ¡ªlos conmutadores m¨¢s antiguos que afirman que son "compatibles con NVMe" suelen realizar la traducci¨®n de protocolos, lo que permite volver a introducir la sobrecarga.

NVMe sobre RoCE

RoCE promete la latencia de red m¨¢s baja a trav¨¦s de la derivaci¨®n del n¨²cleo ¡ªlas operaciones RDMA se completan en ¡ª. Pero RoCE requiere Ethernet sin p¨¦rdidas con control de flujo prioritario en todos los conmutadores y adaptadores. Un puerto mal configurado puede provocar un colapso del rendimiento. La realidad es que muchas implementaciones de "RoCE" realmente ejecutan iWARP porque la verdadera RoCE es demasiado fr¨¢gil. Cuando se implementa correctamente, el RoCE puede proporcionar una latencia de almacenamiento de 160-180 microsegundos.

NVMe a trav¨¦s de TCP

NVMe/TCP se ejecuta sobre Ethernet est¨¢ndar sin hardware especial. Los cr¨ªticos lo descartan como "lento", pero las implementaciones modernas pueden lograr una latencia de 200-250 microsegundos ¡ªm¨¢s r¨¢pida que las SSD SATA a pesar de atravesar la red.

La ventaja clave es la simplicidad. NVMe/TCP funciona con conmutadores existentes, NIC est¨¢ndar y redes de proveedores de la nube.

Implementaci¨®n de NVMe en producci¨®n

El simple hecho de instalar unidades NVMe rara vez proporciona los beneficios esperados. Toda la pila de almacenamiento debe admitir operaciones NVMe de extremo a extremo.

La trampa de traducci¨®n del protocolo

Muchas organizaciones compran SSD NVMe para las cabinas existentes y esperan una transformaci¨®n. Las unidades se comunican a trav¨¦s de NVMe, pero el controlador lo traduce todo a SCSI para que sea compatible. Esta traducci¨®n a?ade microsegundos, lo que anula las ventajas de NVMe.

Requisitos de OS y migraci¨®n

NVMe requiere un Operating System operativo moderno para soportarlo. Cada uno requiere configuraciones espec¨ªficas ¡ªafinidad de interrupci¨®n, m¨®dulos multirruta y ajustes de profundidad de cola.

Para una migraci¨®n exitosa:

1. Empiece con cargas de trabajo no cr¨ªticas para la validaci¨®n
2. Implemente la supervisi¨®n de la latencia en cada capa.
3. Priorice primero las bases de datos sensibles a la latencia
4. Compruebe la NVMe de extremo a extremo con herramientas como NVMe NVMe-cli

NVMe para IA y cargas de trabajo modernas

Las GPU caras suelen estar inactivas, esperando datos. NVMe lo cambia a trav¨¦s del , lo que permite que las unidades transfieran los datos directamente a la memoria de la GPU.

Para el entrenamiento de IA, esto significa:

• Entrenamiento de ¨¦poca m¨¢s r¨¢pido
• Escritura de puntos de control m¨¢s r¨¢pida
• Mayor uso de la GPU ?
• Liberar CPU para el preprocesamiento

Las bases de datos se benefician m¨¢s all¨¢ de la velocidad bruta. La latencia previsible de NVMe elimina la incertidumbre en la planificaci¨®n de las consultas. Los optimizadores toman mejores decisiones sabiendo que los datos llegan r¨¢pidamente. Las aplicaciones dise?adas para el almacenamiento lento se comportan de manera diferente cuando el almacenamiento se vuelve previsible.

La ventaja NVMe de extremo a extremo de É«¿Ø´«Ã½

Mientras que el sector debate las estrategias de adopci¨®n, É«¿Ø´«Ã½ ha implementado NVMe de extremo a extremo en miles de despliegues de clientes, generando telemetr¨ªa que revela lo que realmente funciona. El factor diferenciador es eliminar cada traducci¨®n de protocolo entre la aplicaci¨®n y el flash NAND.

DirectFlash: Eliminaci¨®n de los gastos generales ocultos

Las SSD NVMe tradicionales contienen controladores redundantes y sobreaprovisionamiento. Los m¨®dulos DirectFlash? de É«¿Ø´«Ã½? exponen la NAND bruta directamente a la interfaz NVMe de la cabina, proporcionando:

• M¨¢s capacidad utilizable
• Menor consumo energ¨¦tico
• Latencia predecible sin recolecci¨®n de basura
• wear leveling en todo el flash

Arquitectura NVMe de extremo a extremo

El software Purity mantiene la NVMe desde el host hasta la NAND, al tiempo que admite los sistemas tradicionales. Para los hosts NVMe, proporciona acceso directo al espacio de nombres. Para los hosts tradicionales, se traduce una vez en el borde de la cabina, no internamente.

FlashArray//X? de É«¿Ø´«Ã½ proporciona una latencia constante de menos de 200 microsegundos al eliminar las conversiones internas de protocolo:

• arrays de É«¿Ø´«Ã½: latencia media de 150 ¦Ìs
• arrays "NVMe" tradicionales con traducci¨®n interna: 400-600 ¦Ìs
• La diferencia: eliminaci¨®n de los gastos generales de traducci¨®n del protocolo

Evoluci¨®n no disruptiva

La arquitectura Evergreen de É«¿Ø´«Ã½ ?permite la adopci¨®n de NVMe sin actualizaciones a gran escala. Los controladores se actualizan a versiones compatibles con NVMe sin migraci¨®n de datos.

El futuro de la NVMe

La evoluci¨®n de NVMe va m¨¢s all¨¢ de la velocidad. La ?introduce el almacenamiento computacional ¡ªel procesamiento dentro del propio dispositivo de almacenamiento¡ª. El filtrado, la compresi¨®n y la inferencia de IA de las bases de datos se producen donde est¨¢n los datos, lo que elimina la sobrecarga de movimiento.

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NVMe representa la eliminaci¨®n de los cuellos de botella artificiales que limitan las aplicaciones durante d¨¦cadas. Cuando se implementa de extremo a extremo sin traducci¨®n de protocolo, NVMe proporciona una latencia de 150 microsegundos que lo transforma todo, desde las operaciones de la base de datos hasta el entrenamiento de IA.

La informaci¨®n cr¨ªtica: La traducci¨®n de protocolos destruye las ventajas de NVMe. NVMe-oF ampl¨ªa los beneficios en todos los centros de datos, pero la implementaci¨®n es importante. Las cargas de trabajo modernas requieren la NVMe de extremo a extremo predecible y de baja latencia que solo proporciona.

Una implementaci¨®n de extremo a extremo de É«¿Ø´«Ã½, validada en miles de clientes, demuestra que la latencia de 150 microsegundos es una realidad operativa. A trav¨¦s de los ??m¨®dulos, las organizaciones cumplen las promesas NVMe de rendimiento. A medida que el almacenamiento evoluciona hacia las capacidades computacionales y las velocidades de memoria, la ?arquitectura de É«¿Ø´«Ã½?EvergreenEvergreen garantiza que las inversiones actuales ofrezcan las innovaciones del futuro sin disrupciones.