SATAとNVMeは、いずれもドライブ用の接続インターフェースです。SATA（Serial ATA）は、21世紀の初頭にパラレルATAに取って代わって以来使われてきました。一方、NVMe（Non-Volatile Memory Express）は、より新しく高速な技術です。この記事では、NVMeとSATAの両方について、それぞれの概要や仕組み、知っておくべきことを解説します。
SATAとは？
Serial Advanced Technology Attachment（SATA）は、ソリッドステートドライブ（SSD）、ハードディスクドライブ（HDD）、光学ドライブをマザーボードに接続するために使われていたParallel ATAバスインターフェースの後継です。パラレル接続では平たく幅広いリボン状のケーブルを使用していましたが、SATAケーブルはより細く、扱いやすくなっています。SATAは前身の規格を大幅に改善しました。
しかし、SATAの進化は、よりすっきりして扱いやすいケーブルだけにとどまりません。この規格には、性能を高めるための改訂が何度も加えられており、その一つが2013年に登場したSATA Expressです。これは、コネクター仕様でSATAとPCIeの両方への接続をサポートします。データ転送能力が期待されたにもかかわらず、この規格は普及せず、より新しくかさばらないM.2フォームファクターのドライブに後れを取りました。
最新バージョンのSATAは、性能を向上させ、他の業界標準I/O規格との統合を強化しています。また、ホットプラグにも対応しているため、電源が入ったシステムにSATAストレージデバイスを接続したり取り外したりしても、通常どおり動作させられます。これはPATAでは不可能でした。さらに、Advanced Host Controller Interface（AHCI）インターフェースを採用しており、ドライブの最適化技術であるネイティブコマンドキューイング（NCQ）を利用できます。NCQは性能を向上させます。
NVMeとは？
Non-Volatile Memory Expressは、PCI Express（PCIe）バスを使ってSSDをサーバーに接続するホストコントローラーインターフェース仕様です。NVMe SSDは、PCIe SSDとも呼ばれます。
NVMeは、高速なフラッシュベースストレージと従来のデータ転送技術が衝突した際に発生するボトルネックの問題を解決します。要するに、NVMeドライブは、回転ディスク向けに設計されたストレージインターフェースやバスアーキテクチャを上回る性能を発揮できます。
NVMeが解決策となります。SATAやSASのモデルと比べて、NVMeドライブは驚異的な速度でデータを転送でき、これまで企業が導入をためらっていた可能性のある、負荷の高いストレージワークロードにも対応する軽快な性能を提供します。
PCIe経由のNVMe接続では、コントローラーを介さずにデータストレージをメインメモリへ送り、処理できます。このインターフェースでは、1つの入出力（I/O）キューで最大64,000個のコマンドを処理でき、I/Oキューは最大65,353個までサポートします。さらに、エンドツーエンドの保護やフロー制御、NVMe/TCPサポートなど、エンタープライズ向けの機能も数多く備えています。
性能面で、NVMeはゲームチェンジャーです。ただし、フラッシュの性能向上を必ず保証するわけではありません。導入に踏み切る前に、ストレージ管理者は十分に調査し、実際にこの技術を試して、NVMeドライブが自社のIT目標やインフラに適しているかを確認する必要があります。性能に影響を与え、ボトルネックを生む可能性がある要因は他にも存在するためです。
NVMe SSDで最も一般的なフォームファクターはM.2です。小型で薄く、軽量なのが特徴です。M.2 NVMe SSDは外部ケーブルで接続するのではなく、CPUとPCIeスロットの間にあるマザーボードの下側に取り付けます。M.2 SATAドライブもありますが、あまり一般的ではありません。
NVMeとSATAの比較
ここでは、主な要素についてNVMeとSATAのプロトコルを比較します。
性能
SATA SSDの最高読み取り速度は560 MB/s（1 TB）、書き込み速度は540 MB/s（1 TB）ですが、これは理想的な状況におけるオーバーヘッド上の限界です。現在のSATA IIIの速度は、通常500 MB/sをやや下回るか、大幅に下回ります。
NVMe SSDの最高読み取り速度は約12,400 MB/s（2 TB）、書き込み速度は11,800 MB/s（2 TB）です。読み取りと書き込みのコマンドで平均10,000 MB/sに達するNVMeドライブもありますが、これらの速度は非常に限定されたテスト環境でベンチマークされたものです。
価格
SATAとNVMeは、いずれも過去数年間で価格が下落しています。2.5インチのSATA Samsung 1 TBは109ドル、1 TBのM.2 PCIe Gen 4は約169ドルです。
どちらのSSDも、サイズや容量によって価格は大きく異なりますが、全体としては依然としてSATA SSDの方が手頃です。極めて高い性能が求められる場合はNVMeがエンタープライズ向けに適した選択肢となる可能性があり、テクノロジー業界ではNVMeの採用がますます進んでいます。SATAは決して時代遅れではありません。ストレージやゲーム用途に有用であり、SATAドライブを含むSSDは、HDDと比べれば依然として非常に高速です。また、SATAは長年使われてきた実績があり、NVMeデバイスをサポートしていない可能性がある古いマシンでも引き続き利用できます。
エンタープライズSSDとなると話はまったく別です。価格は、控えめに言っても幅がありますが、通常は数百ドル台に達し、数千ドルに及ぶこともあります。NVMeドライブの中にはSATAより高価なものもありますが、この分野では価格がほぼ同程度になるケースも少なくありません。
並列処理
NVMeの並列処理とは、複数のスレッドを通じて多数の処理を同時に実行できる能力を指します。NVMeの高速なI/Oにより、処理速度は大幅に向上します。NVMeドライブのキュー深度は通常64,000で、64Kキューにも対応します。一方、SATAのキュー深度は32で、コマンドキューは1つです。ドライブがキューに保持できるI/O要求は、常に最大32件です。
| NVMe | SATA | |
|---|---|---|
| インターフェース | フラッシュ環境でのみ使用 | SSDとHDDの両方に対応 |
| 性能 | 1コマンドあたり64Kのキュー深度容量、64Kキューに対応 | キュー深度は32、コマンドキューは1つ |
| 用途 | ビジネスクリティカルなアプリケーションやトランザクション量の多いデータベースに適している | 大容量、低可用性、シーケンシャル読み取りに適している |
| コスト | 高価だが、価格は低下している | 一般にNVMeより低価格 |
NVMeとSATA、どちらを選ぶべきか？
どちらにも用途とメリットがあります。SATAの主なメリットは価格の安さですが、NVMeの価格も急速に下がっているため、企業は性能向上のために追加費用を払ってでも、より高速なSSDを選ぶ価値があると考えるかもしれません。まだNVMe SSDを予算化しておらず、現在使っているSATA SSDが問題なく動作している中小企業にとっては、当面は既存のドライブを使い続ける方が賢明な選択となる可能性があります。
NVMeは、高性能なデータ処理や大量の保存データに適しています。エンタープライズストレージのワークロードを迅速に処理できる技術は、今日のデータセンター運用者の間で支持を集めています。より高速で応答性に優れたアプリケーションやデータベースの性能を求める組織は、NVMe対応システムの市場動向に注目するとよいでしょう。
当面、データセンター環境ではNVMeがSATAやSerial Attached SCSI（SAS）デバイスと共存していくでしょう。今後を見据えると、ストレージベンダーがNVMeとSATAの性能差をさらに広げようとしている兆候も見られます。Intelはその好例です。同社はフラッシュベースのNVMe SSDを販売する一方、NVMe Optane SSDも市場に投入しています。同社の3D XPoint技術を基盤とするOptaneは、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（DRAM）の性能特性とフラッシュのデータ保持能力を融合した、永続メモリまたはストレージクラスメモリ（SCM）ソリューションです。3D XPointはIntelとMicronが共同開発しました。
NVMe over Fabrics（NVMe-oF）
NVMe over Fabricsは、EthernetやFibre Channelネットワークを介した保存データの処理を可能にします。並列I/O技術は、NVMeネットワーク上の入出力要求を管理し、キューに入れて順番に処理するのではなく、複数の要求を同時に処理できるようにします。これは、1台のコンピューター上でNVMeストレージを利用する場合と同様です。NVMe-oFにより、NVMeストレージは単一のアプリケーションにとどまらず、より広範に利用できます。
結論：NVMeとフラッシュの比較
NVMe技術は、大規模なデータストレージにおけるゲームチェンジャーとして登場し、高速なI/Oと優れた性能によって従来のSATA SSDを上回りました。SATA SSDは低コストという理由から今も重要ですが、NVMeドライブの価格低下により、企業は性能向上を目的にNVMeを検討するよう促されています。
今後、データセンターではNVMeがSATAやSASデバイスと共存していく見通しです。NVMe技術の優れた能力はデータストレージに変革をもたらし、世界中の企業に向けた高速でスケーラブル、かつ応答性に優れたストレージソリューションの未来を形作っています。