Monitor de ordenador de pantalla plana en un escritorio que muestra KC2500 y KC600

Comparativa entre NVMe y SATA: ¿En qué se diferencian?

Cuando hablamos de tecnología de almacenamiento avanzada, NVMe juega en otra liga. Incluso a simple vista, las diferencias de rendimiento entre NVMe y SATA son impresionantes. Los controladores de comunicaciones y las interfaces de NVMe y SATA son completamente diferentes, ya que SATA utiliza controladores AHCI diseñados para discos duros (HDD), con su tecnología giratoria, en tanto que el controlador NVMe ha sido específicamente diseñado para discos SSD con tecnología SSD. Además, NVMe permite aprovechar los conectores PCIe para las comunicaciones entre la interfaz de almacenamiento y la CPU del sistema, lo cual es una ventaja adicional. Si esta comparativa fuese un evento deportivo, sería como comparar una carrera de F1 con una competición de rally.

Aunque ambos son rápidos, si comparamos estos dos tipos de unidades de estado sólido podremos apreciar sus diferencias a primera vista. Vale la pena prestarles atención a la hora de evaluar sus necesidades, deseos y requisitos.

SSD SATA

Un disco SSD SATA de 2,5” en un portátil

La tecnología ATA Serie (SATA) se remonta a 2000, cuando surgió como mejora con respecto a la existente tecnología ATA en paralelo, inferior debido al tamaño de los cables, los costes, el rendimiento y la funcionalidad. Ambas tecnologías eran suficientes para los discos (HDD), sustancialmente inferiores a las actuales unidades de estado sólido (SSD). La llegada de los discos SSD basados en SATA demostró que el bus ATA había alcanzado sus límites de rendimiento. Mientras que los discos duros solo eran capaces de alcanzar una velocidad de entre 50 y 120MB/s en lectura, los SSD podían saturar el bus SATA a 550MB/s. A pesar de las limitaciones del bus, es habitual que se produzca una mejora de rendimiento de entre 10 y 15 veces si utilizamos SSD basados en SATA en lugar de la antigua tecnología de HDD.

AHCI

La Interfaz avanzada de controlador de host (Advanced Host Controller Interface, AHCI) es un modo de comunicación diseñado en torno a 2004 para mejorar el rendimiento y la utilidad de los dispositivos de almacenamiento conectados por SATA. Fue diseñado para HDD, e introdujo una única cola de peticiones de almacenamiento con una profundidad de hasta 32 comandos. Esto implicaba que los discos duros podían alcanzar un mejor rendimiento, aunque su implementación se convertiría en un cuello de botella para la tecnología de controladores de SSD. Por ejemplo, los discos duros podían alcanzar hasta 200 operaciones de entrada/salida por segundo (IOPS), en tanto que los SSD basados en SATA llegaban a los 100.000 IOPS, estando su rendimiento artificialmente limitado por el bus SATA.

SSD NVMe

SSD NVMe de Kingston instalado en un PC

La tecnología Memoria exprés no volátil (Non-Volatile Memory Express, NVMe) surgió en 2011 para resolver los numerosos cuellos de botella de la interfaz y de los protocolos de almacenamiento SATA. La tecnología NVMe utiliza el bus PCIe, en lugar del bus SATA, para liberar una enorme potencia de ancho de banda para los dispositivos de almacenamiento. PCIe 4.0 (la versión actual) ofrece hasta 32 carriles y, en teoría, puede transferir datos a una velocidad de hasta 64.000MB/s, frente al límite de 600MB/s de la especificación de SATA III. Además, la especificación NVMe posibilita colas de 65.535 colas de comandos, con hasta 65.536 comandos por cola. Debe recordarse que los SSD basados en SATA están limitados a una única cola, con una profundidad de solamente 32 comandos por cola. La tecnología NVMe abre un enorme potencial para los dispositivos de almacenamiento gracias a su mejor eficacia y rendimiento, y a su interoperatividad con una amplia variedad de sistemas. Suele creerse que esta tecnología se convertirá en la nueva norma del sector.

Factores de forma de SSD

Mientras que normalmente los discos duros tienen 2,5 o 3,5 pulgadas de ancho, y que la mayoría de los discos SSD basados en SATA tienen 2,5 pulgadas de ancho y 7 mm de espesor, las unidades NVMe han adoptado diversos factores de forma nuevos que permiten acomodarlas en una mayor diversidad de dispositivos.

  • M.2: la reducción del tamaño físico de la unidad que permite el factor de forma M.2 garantiza la futura ubicuidad de estos dispositivos de almacenamiento. "22" hace referencia a la anchura, y 30/42/80/110 a su longitud en milímetros. En la actualidad, M.2 2280 es compatible con SATA. Además, es el factor de forma de disco SSD NVMe más habitual para NVMe. A medida que la tecnología vaya evolucionando y encogiendo, esto podrá cambiar.
  • U.2: son los dispositivos de almacenamiento más caros, aunque de mejor rendimiento y mayor resistencia, que normalmente encontramos en los entornos de almacenamiento empresariales y centros de datos.
  • Tarjetas complementarias PCIe: estos discos SSD NVMe de alto rendimiento se encuentran en sistemas que todavía no cuentan con conectores para posibilitar el factor de forma M.2.

Rendimiento de SSD en síntesis

NVMe es un protocolo de almacenamiento diseñado específicamente pensando en los discos SSD. Con la eliminación de la capa intermedia HBA de SATA, NVMe permite que los discos SSD se comuniquen directamente con la CPU a través del bus PCIe, abriendo canales para impresionantes mejoras del rendimiento. Para ponerlo en perspectiva, el límite de rendimiento del bus SATA III es de 6GB/s, lo que implica que un disco SSD SATA puede alcanzar un máximo de 550MB/s después de la sobrecarga. Un único carril de PCIe 3.0 puede ofrecer un rendimiento de 1GB/s (bidireccional), por lo cual un SSD PCIe 3x4 puede alcanzar hasta 4GB/s de lectura/escritura. Esta cifra sube hasta los 8GB/s (bidireccional) de los SSD PCIe Gen 4X4. En este caso, la limitación de rendimiento se traslada desde el protocolo hasta los soportes NAND, objeto de un tremendo desarrollo en los últimos años, lo cual ha permitido a los fabricantes comprimir la mayor densidad y rendimiento en los factores de forma más pequeños.

NVMe también ha permitido reducir enormemente la latencia del protocolo debido a la ruta de datos acortada y optimizada, con la cual la latencia es menor que en SATA/SAS. Además, en los dispositivos NVMe la gestión de las colas es manejada de manera más eficiente por la CPU debido a las señales del conector Doorbell del procesamiento de E/S, que reduce significativamente la sobrecarga de la CPU. Además, los dispositivos NVMe son compatibles con la mayoría de los sistemas operativos, gracias a los impresionantes esfuerzos de desarrollo de la última década.

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