Flachbildschirm-Computermonitor auf einem Schreibtisch, auf dem eine KC2500 und KC600 dargestellt sind

NVMe vs. SATA: Was sind die Unterschiede?

Wenn es um überlegene Speichertechnologie geht, spielt NVMe in einer ganz eigenen Liga. Schon auf den ersten Blick sind die Leistungsunterschiede zwischen NVMe und SATA beeindruckend. Die Kommunikationstreiber und die Schnittstelle von NVMe und SATA sind völlig unterschiedlich, da SATA AHCI-Treiber nutzt, die für Festplattenlaufwerke (HDD) mit physischer Rotation ausgelegt sind, während der NVMe-Treiber speziell für SSDs mit Flash-Technologie konzipiert ist. Darüber hinaus kann NVMe die Vorteile der PCIe-Sockel für die Kommunikation zwischen der Speicherschnittstelle und der CPU des Systems nutzen und bietet so einen noch größeren Vorteil. Wäre dieses Match ein Sportereignis, dann klänge es so, als würde man ein Formel-1-Rennen mit einem Supertourenrennen vergleichen.

Auf den ersten Blick sind sie zwar beide schnell, aber ein Vergleich dieser beiden SSD-Typen zeigt ihre Unterschiede auf. Ein genauerer Blick auf diese Unterschiede lohnt sich bei der Bewertung Ihrer Bedürfnisse, Wünsche und Anforderungen.

SATA-SSDs

Eine 2,5

Die Serial-ATA-oder SATA-Technologie wurde bereits im Jahr 2000 als Verbesserung der bestehenden Parallel-ATA-Technologie eingeführt, die durch Kabelgröße, Kosten, Leistung und Funktionalität behindert wurde. Beide Technologien reichten für Festplattenlaufwerke (HDDs), die wesentlich weniger leistungsfähig waren als die heutigen SSDs (Solid-State Drives). Mit dem Aufkommen der SATA-basierten SSDs zeigte es sich, dass der ATA-Bus seine Leistungsgrenze erreicht hatte. Wo HDDs nur 50–120 MB/s in der Schreibleistung erreichen konnten, konnten SSDs den SATA-Bus mit 550 MB/s sättigen. Trotz der Beschränkung durch den Bus kann üblicherweise eine Verbesserung der Gesamtsystemleistung um das 10–15-fache beobachtet werden, wenn SATA-basierte SSDs anstelle der herkömmlichen HDD-Technologie eingesetzt werden.

AHCI

„Advanced Host Controller Interface“ (AHCI) ist ein Kommunikationsmodus, der um das Jahr 2004 entwickelt wurde, um die Leistung und den Nutzen von über SATA verbundenen Speichergeräten zu verbessern. Er wurde für HDDs entwickelt und führte eine einzelne Speicheranforderungs-Warteschlange mit einer Tiefe von bis zu 32 Befehlen ein. Dies bedeutete, dass HDDs einen höheren Durchsatz und eine höhere Leistung erreichen konnten, aber die Implementierung würde zu einem zukünftigen Engpass für die SSD-Controller-Technologie werden. Beispielsweise können HDDs bis zu 200 Ein-/Ausgabeoperationen pro Sekunde (IOPS) erreichen, während SATA-basierte SSDs bis zu 100.000 IOPS erreichen können, wodurch ihre Leistung durch den SATA-Bus künstlich gedeckelt wird.

NVMe-SSDs

Kingston NVMe SSD installiert in einem PC

Die NVMe- (Non-Volatile Memory Express)-Technologie wurde 2011 eingeführt, um die verschiedenen Engpässe der SATA-Schnittstelle und Kommunikationsprotokolle zu beseitigen. Die NVMe-Technologie nutzt den PCIe-Bus anstelle des SATA-Busses, um ein enormes Bandbreitenpotenzial für Speichergeräte zu erschließen. PCIe 4.0 (die aktuelle Version) bietet bis zu 32 Spuren und kann theoretisch Daten mit bis zu 64.000 MB/s übertragen, verglichen mit der Spezifikationsgrenze von 600 MB/s bei SATA III. Die NVMe-Spezifikation lässt auch 65.535 Befehlswarteschlangen zu, die bis zu 65.536 Befehle pro Warteschlange haben können. Wir erinnern uns dabei, dass SATA-basierte SSDs auf eine einzelne Warteschlange mit einer Tiefe von nur 32 Befehle pro Warteschlange beschränkt sind. Die NVMe-Technologie schafft massives Potenzial für Speichergeräte durch erhöhte Effizienz, Leistung und Interoperabilität auf einer Vielzahl von Systemen. Es wird allgemein angenommen, dass die Technologie der neue Industriestandard werden wird.

SSD-Formfaktoren

Während HDDs üblicherweise 2,5 oder 3,5 Zoll breit sind und die meisten SATA-basierten SSDs 2,5 Zoll breit und 7 mm dick sind, weisen NVMe-Laufwerke eine Reihe neuer Formfaktoren auf, durch die sie in eine Vielzahl von Geräten passen.

  • M.2 – Die Reduzierung der physikalischen Laufwerksgröße im M.2-Formfaktor garantiert die zukünftige Allgegenwart dieser Speichergeräte. 22 bezieht sich auf die Breite und 30/42/80/110 auf die Länge in Millimetern. Derzeit unterstützt M.2 2280 SATA und es ist auch der häufigste NVMe-SSD-Formfaktor für NVMe. Da die Technologie verbessert und weiter verkleinert wird, kann sich dies ändern.
  • U.2 – Dies sind teurere Speichergeräte mit höherer Leistung und Ausdauer, die typischerweise in Rechenzentren/Unternehmensspeicherumgebungen zu finden sind.
  • Add-in-PCIe-Karten – Diese hochleistungsfähigen NVMe-SSDs fanden ihren Weg in Systeme, bei denen noch keine Sockel für den M.2-Formfaktor vorhanden waren.

SSD-Leistung auf einen Blick

NVMe ist ein Speicherprotokoll, das speziell im Hinblick auf SSDs entwickelt wurde. Durch den Wegfall der zwischengeschalteten SATA-HBA-Schicht ermöglicht das NVMe-Protokoll SSDs die direkte Kommunikation mit der CPU über den PCIe-Bus und eröffnet damit Kanäle für bahnbrechende Leistungsverbesserungen. Zum Vergleich: Die Leistungsgrenze des SATA-III-Busses liegt bei 6 Gb/s, was bedeutet, dass eine SATA-SSD nach dem Overhead einen maximalen Durchsatz von 550 MB/s bieten kann. Eine einzelne PCIe 3.0-Spur kann einen Durchsatz von 1 GB/s (bidirektional) bereitstellen. Somit kann eine PCIe 3x4 SSD einen Durchsatz von bis zu 4 GB/s Lesen/Schreiben erreichen. Die kann sich auf bis zu 8 GB/s (bidirektional) für PCIe Gen 4X4 SSDs steigern. Die Leistungsbegrenzung verschiebt sich hier vom Protokoll zu den NAND-Medien, die in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung durchlaufen haben, die es den Herstellern ermöglicht, die höchste Dichte und Leistung in die kleinsten Formfaktoren zu quetschen.

Die Protokolllatenz ist mit NVMe ebenfalls stark reduziert, da der verkürzte und optimierte Datenpfad eine geringere Latenz als bei SATA/SAS ermöglicht. Die CPU handhabt auch die Verwaltung von Warteschlangen in NVMe-Geräten aufgrund der Türklingelsignalisierung bei der E/A-Verarbeitung effizienter, wodurch der CPU-Overhead deutlich reduziert wird. Außerdem werden NVMe-Geräte aufgrund der massiven Entwicklungsanstrengungen des letzten Jahrzehnts von den meisten wichtigen Betriebssystemen unterstützt.

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