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SSD-Technologie verstehen: NVMe, SATA, M.2

Die Vorteile von NVMe

Die NVMe Technologie bietet überlegenen Speicher sowie eine überlegene Geschwindigkeit und Kompatibilität. Da NVMe PCIe-Steckplätze nutzt, wird die 25-fache Datenmenge ihrer äquivalenten SATA-Anschlüsse übertragen. Zusammen mit mehr Daten sind die Befehle von NVMe 2x schneller als die der AHCI-Treiber. Zusätzlich ist die NVMe Ein-/Ausgabe mit mehr als 1 Million je Sekunde um bis zu 900 % schneller als AHCI-Laufwerke. NVMe kommuniziert auch direkt mit der System-CPU, wodurch aufgrund seiner Kompatibilität unglaubliche Geschwindigkeiten erreicht werden. NVMe Laufwerke sind ungeachtet ihres Formfaktors mit allen wichtigen Betriebssystemen kompatibel.

NVME LogoNVMe (Non-Volatile Memory Express) ist eine Kommunikationsschnittstelle und ein Treiber, der die Vorteile der erhöhten Bandbreite nutzt, die PCIe zu bieten hat. Es wurde für mehr Leistung und Effizienz entwickelt und bietet gleichzeitig Interoperabilität für ein breites Spektrum von Unternehmens- und Kundensystemen. NVMe wurde für SSDs entwickelt und kommuniziert zwischen der Speicherschnittstelle und der System-CPU über Hochgeschwindigkeits-PCIe-Sockel ohne die Einschränkungen des Formfaktors.

Das NVMe Protokoll nutzt parallele Datenpfade mit geringer Latenz zu den zugrundeliegenden Medien wie hochleistungsfähigen Prozessorarchitekturen. Dies bietet im Vergleich zu SAS- und SATA-Protokollen eine deutlich höhere Leistung und geringere Latenzen. NVMe kann mehrere E/A-Warteschlangen unterstützen, bis zu 64K, wobei jede Warteschlange 64K Einträge aufweist. Dies ermöglicht es Ein-/Ausgabeaufgaben, mehr Daten schneller zu übertragen als ältere Speichermodelle, die ältere Treiber wie AHCI (Advanced Host Controller Interface) nutzen. Da NVMe speziell für SSDs entwickelt wurde, wird es schließlich zum neuen Industriestandard werden.

SSD-Speicher: SATA im Vergleich zu PCIe

Datenbusse übertragen Daten innerhalb eines Systems, und als die ersten NAND-basierten SSDs auf den Markt kamen, war der Branche klar, dass ein neuer Bus und ein neues Protokoll erforderlich waren.

  • Die ersten SSDs waren relativ langsam, was die Nutzung der vorhandenen SATA-Speicherinfrastruktur bequem machte. Obwohl sich der SATA-Bus zu 16Gbit/s weiterentwickelt hat, bleiben fast alle kommerziellen Implementierungen des SATA-Busses bei 6Gbit/s.
  • Der Gesamtdurchsatz von PCIe 3.0 beträgt 16Gbit/s, während PCIe 4.0 den doppelten Durchsatz von PCIe 3.0 aufweist. Es bietet bis zu 16 Spuren und kann Daten mit bis zu 32.000MB/s übertragen, während SATA III nur bis zu 600MB/s überträgt.

Durch die Entscheidung, eine vorhandene Bustechnologie mit höherer Bandbreite zu nutzen, wurden die SATA-Protokolle durch die PCIe-Technologie ersetzt. PCIe-Speicher kamen einige Jahre vor NVMe heraus, aber da frühere Lösungen durch ältere Datenübertragungsprotokolle wie SATA und AHCI einen Engpass darstellten, konnte ihr Potenzial erst in den letzten Jahren voll ausgeschöpft werden. NVMe war die Lösung für die Engpässe und beseitigt Einschränkungen, indem es Befehle mit niedriger Latenz und 64K-Warteschlangen anbietet. Mehrfache Warteschlangen ermöglichen schnellere Datenübertragungen, da die Daten mithilfe von Chips und Blöcken verstreut auf SSDs geschrieben werden, anstatt wie bei Festplatten auf rotierende Platten geschrieben zu werden.

Kommunikationstreiber: AHCI gegenüber NVMe

Kommunikationstreiber werden von Betriebssystemen zum Datenaustausch mit Speichergeräten verwendet. NVMe Treiber sind schneller als AHCI-Treiber, die üblicherweise in SATA-Schnittstellen zu finden sind.

  • NVMe wurde speziell für SSDs mit Flashtechnologie entwickelt und ist damit schneller als AHCI-Treiber, die für gängige Festplatten mit rotierender Plattentechnologie entwickelt wurden.
  • Während NVMe 64K Befehlswarteschlangen hat und 64K Befehle pro Warteschlange senden kann, hat AHCI nur eine Befehlswarteschlange und kann nur zweiunddreißig Befehle pro Warteschlange senden.
  • Bei AHCI-Treibern nutzen Befehle hohe CPU-Zyklen mit einer Latenzzeit von 6 Mikrosekunden, während NVMe Treiberbefehle niedrige CPU-Zyklen mit einer Latenzzeit von 2,8 Mikrosekunden nutzen.

Der NVMe Treiber kommuniziert direkt mit der System-CPU, aber AHCI muss mit dem SATA-Controller kommunizieren. AHCI bietet IOPS (Ein-/Ausgabe-Operationen pro Sekunde) von bis zu 100.000, während NVMe über IOPS von über 1 Million verfügt. IOPS (Input/Output Operations Per Second, ausgesprochen Ei-ops) ist ein gebräuchlicher Leistungsmesswert, der zum Benchmarking von Computer-Speichergeräten verwendet wird.

NVMe SSD Formfaktoren

NVMe SSDs werden in einer Vielzahl von Formfaktoren angeboten, aber diese sind je nach Anwendungsfall oder Anwendung spezifisch.

  • Private/Kundenprodukte verwenden die Formfaktoren BGA und M.2.
  • Rechenzentrums-/Serveranwendungen verwenden die Formfaktoren M.2, U.2, U.3 und EDSFF.

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Es gibt Entwicklungsstandards und Bemühungen innerhalb des EDSFF (Enterprise and Data Center SSD Form Factor), welche einen dynamischen Bereich von Formfaktoren und Standards bieten, die das gleiche Protokoll (NVMe), die gleiche Schnittstelle (PCIe) und einen eigenen Randstecker (SFF-TA-1002), eine eigene Pinbelegung und eigene Funktionen (SFF-TA-1009) verwenden.

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