PCIe-накопитель — общее название для SSD и иных устройств хранения данных, использующих шину PCI Express (PCIe) в качестве интерфейса подключения. Шина PCIe обеспечивает прямой путь данных между накопителем и CPU без посредства медленного контроллера SATA. Наиболее распространённые PCIe-накопители используют протокол NVMe, хотя существуют и накопители с другими протоколами (AHCI over PCIe, SAS over PCIe-адаптеры).
Как работает
Шина PCIe работает по принципу линий (lanes, x): каждая линия PCIe 4.0 обеспечивает 2 ГБ/с в каждую сторону. Накопитель с ×4 (четыре линии) имеет пиковую пропускную способность 8 ГБ/с (PCIe 4.0) против 600 МБ/с у SATA. PCIe 5.0 ×4 даёт 16 ГБ/с. Это объясняет разницу в скорости: SATA SSD — до 560 МБ/с, PCIe 4.0 NVMe — до 7000 МБ/с.
Накопитель общается с CPU по протоколу NVMe через оптимизированный стек команд. Латентность PCIe NVMe — 70–100 мкс против 150–200 мкс у SATA SSD. Для баз данных с активным случайным чтением (OLTP) разница в латентности критична.
Форм-факторы PCIe-накопителей: M.2 2280 (вставляется в слот M.2, PCIe ×4), U.2 (горячая замена, серверный формат 2,5"), AIC (Add-In Card, вставляется в стандартный PCIe-слот расширения). U.2 SFF-8639 — стандарт для enterprise-серверов: поддерживает горячую замену без остановки сервера.
История
PCI Express стандартизирован в 2002–2003 годах как преемник PCI. Первые PCIe SSD появились около 2010–2012 годов (Fusion-io ioDrive, SanDisk Optimus). С публикацией NVMe 1.0 в 2011 году и распространением M.2 слотов в 2015 году PCIe-накопители стали доступны для mainstream-рынка. PCIe 3.0 (2010), PCIe 4.0 (2017 для серверов, 2019 для потребителей), PCIe 5.0 (2022). Optane SSD Intel (XPoint-технология, 2017) стали первыми PCIe-накопителями с субмикросекундной латентностью — 7–12 мкс для записи, что в 10 раз быстрее NAND NVMe.
Типы PCIe-накопителей
- NVMe SSD NAND — основной тип, TLC или QLC флеш-память.
- Optane (XPoint) — Intel 3D XPoint, ныне снят с производства; минимальная задержка для hot tier в enterprise.
- NVMe-oF цель — накопитель, доступный по сети через NVMe-over-Fabrics.
- PCIe HBA (Host Bus Adapter) — контроллер для подключения SATA/SAS дисков через PCIe (не сам накопитель, но тоже PCIe-устройство).
На что обращать внимание
При выборе хостинга с PCIe-накопителями уточняйте версию PCIe: разница между PCIe 3.0 и 4.0 — двукратная по пиковой скорости. Для интенсивной записи важен параметр endurance (TBW, Drive Writes Per Day — DWPD). Потребительские NVMe SSD имеют 0.3–0.5 DWPD, серверные (Samsung PM9A3, Seagate Nytro) — 1–3 DWPD. Для баз данных выбирайте накопители с DWPD ≥1.
История PCIe-накопителей
Первые PCIe SSD появились в 2007–2008 годах как PCIe Add-in Card (AIC) для HPC. Стандарт M.2 принят в 2012 году (тогда назывался NGFF). Форм-фактор U.2 (SFF-8639) утверждён в 2014 году для enterprise-дисков. PCIe 3.0 x4 обеспечивает до 3,9 ГБ/с, PCIe 4.0 x4 — до 7,9 ГБ/с, PCIe 5.0 x4 — до 15,8 ГБ/с. Первые PCIe 5.0 NVMe появились в 2022 году (Samsung 990 Pro, Crucial T705).
Применение и ограничения
PCIe AIC (Add-in Card) используются для максимальной производительности в серверах: Intel Optane P5800X в формате PCIe даёт миллион IOPS при задержке 7–10 мкс. Ограничение: один сервер поддерживает ограниченное число PCIe-слотов (4–8 x16-слотов). При использовании RAID-контроллера с NVMe требуется RAID-адаптер с поддержкой NVMe (не все карты поддерживают). Для максимальных результатов используйте Software RAID через mdadm или ZFS RAID с NVMe-массивом.