Was ist NVMe-Speicher?

Zu Beginn in aller Kürze: Beschäftigt man sich mit dem Thema SpeichertechnologienSpeichertechnologien und Standards, dann stolpert man früher oder später über das Kürzel NVMe. Alles zu Storage auf CIO.de

NVMe: Definition

NVMe steht für "Non-Volatile Memory Express" und ist ein spezielles Kommunikationsprotokoll für Solid State Drives (SSDs). Die Technologie ist der Nachfolger der ebenfalls bei SSDs eingesetzten, aber ursprünglich für HDDs entwickelten Standardschnittstelle SATA (Serial AT Attachment) mit dem AHCI Interface, die jedoch das Potential der SSDs bei Weitem nicht mehr ausschöpfen kann. Erst der vor etwa zehn Jahren eingeführte NVMe-Standard wird den Solid State Drives in Gänze gerecht.

NVMe vs. SATA: Einordnung und Abgrenzung

Erklärt man NVMe, dann muss zur Abgrenzung immer auch der SATA-Standard erläutert werden. Dabei gilt es zu beachten, dass SATA sowohl das Protokoll als auch die physische Schnittstelle bezeichnen kann, während mit NVMe immer die Technologie im Sinne des Protokolls gemeint ist. Physische Schnittstellen bei NVMe können hingegen M.2, U.2 oder PCIe sein, wobei U.2 nochmals eine Sonderrolle hinsichtlich Einsatzzweck und Formfaktor einnimmt.

Eingeführt wurde Serial-ATA als physische Schnittstelle im Jahr 2000 zur Verbesserung der damals gängigen HDDs, die bis dahin mit der Parellel-ATA-Technologie arbeiteten. Ergänzend dazu wurde 2004 das Protokoll AHCI (Advanced Host Controller Interface) zur Kommunikation mit dem SATA-Controller entwickelt, um die Performance der Laufwerke weiter zu verbessern. Beides, die Schnittstelle sowie das Protokoll, wurden später auch auf den SATA-SSDs eingesetzt. Im Vergleich zu HDDs können SATA-basierte SSDs die Gesamtleistung eines Systems bereits um das 10 bis 15-fache steigern. Die technologisch mögliche Leistung einer solchen SSD ist durch den auf mechanische Festplatten zugeschnittenen AHCI-Standard jedoch künstlich gedeckelt und begrenzt die Datenübertragungsrate auf maximal 600 MB/s - die Lösung: NVMe.

NVMe im Detail: SSD-Enabler

NVMe wurde speziell entwickelt, um den Flaschenhals des SATA- beziehungsweise AHCI-Interfaces auf SSDs zu öffnen, um das volle Leistungspotenzial der nicht flüchtigen, Flash-basierten Massenspeicher nutzen zu können. Die Technologie setzt auf die direkte Kommunikation mit der CPU über den PCIe-Bus ohne zwischengeschaltete SATA-Schicht (PCIe bezieht sich hier auf den Kommunikationsbus selbst, jedoch nicht zwingend auf die physische PCIe-Schnittstelle). Darüber hinaus ist der grundsätzliche Aufbau einer NVMe-SDD aber gleich dem einer SATA-SSD - zu finden sind ein NAND-Chip, ein hochleistungsfähiger Controller und ein Cachespeicher.

Die Leistungssteigerung im Vergleich zur SATA-SSD ist jedoch enorm: Während eine SATA-basierte SSD eine einzige Warteschlange mit maximal 32 Befehlen abarbeiten kann, lässt eine NVMe-SSD rund 65.535 Befehlswarteschlagen mit jeweils 65.535 Befehlen zu. Mit Blick auf die Übertragungsraten schafft eine SSD mit optimiertem NVMe-Protokoll in Zusammenarbeit mit PCI-Express in der Theorie so bis zu 32.000 MB/s - unter Ausnutzung aller 16 verfügbaren PCIe-Übertragungsbahnen (Lanes).

Aktuelle NVMe PCIe 4.0 SSDs verwenden vier dieser Lanes und kommen so auf Übertragungsraten von maximal 8.000 MB/s. Im Vergleich zu einer SATA SSD mit maximal 600 MB/s sind sie somit 13 mal schneller. In Summe sorgt NVMe also für mehr Effizienz, bessere Leistung und erhöhte Interoperabilität mit anderen Systemen. Der begrenzende Faktor ist heute nicht mehr das Protokoll, sondern es ist - vorerst ­- die Beschränkung auf vier Lanes.

NVMe-SSDs: Formfaktoren und physische Schnittstellen

NVMe-SSDs gibt es in gleich drei verschiedenen Varianten, was die Kompatibilität mit verschiedenen Geräten ermöglicht. Der gängigste Formfaktor M.2 2280 zeichnet sich im Vergleich zu einer 2,5"-SATA-SDD durch seine kleine Baugröße aus und wird direkt auf dem Motherboard angesteckt. 22 und 80 stehen dabei für Breite und Länge des Laufwerks in Millimeter. Add-in-PCIe-Karten auf der anderen Seite sind für Systeme, die über keinen M.2-Sockel verfügen.

Hier werden M.2-SSDs auf die Karten gesteckt, die wiederum die PCIe Schnittstelle nutzen. Als dritte Variante verfügen U.2-NVMe-SSDs über mehr Leistung, Ausdauer und ­- besonders wichtig ­- Kapazität. Sie sind derzeit hauptsächlich in Rechenzentren zu finden. U.2 bezeichnet dabei die physische Schnittstelle, während die Baugröße der einer 2,5"-SSD entspricht.

NVMe: Einsatzmöglichkeiten

Vorteile gegenüber SATA-basierten SSDs hat NVMe in erster Linie in puncto Geschwindigkeit und in der Verarbeitung großer Datenpakete, wie sie zum Bespiel bei der Stapelverarbeitung von Bildern oder der Übertragung vieler Videoclips anfallen. Auch im Gaming machen sich verbesserte Ladezeiten und Übertragungsgeschwindigkeiten bemerkbar. Insgesamt hat sich NVMe in den Client-Systemen bereits etabliert und befindet sich heute in einer Vielzahl von Laptops und Desktop-PCs für Endkonsumenten.

Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich sind auf der anderen Seite Unternehmen. Hier sei speziell an Rechenzentren gedacht, wo die Akzeptanz des Standards gerade erst Fahrt aufnimmt. Vor dem Hintergrund wachsender Datenmengen und dem Bedarf an Geschwindigkeit und Performance in Branchen wie Cloud-Computing, E-Commerce oder Finance sowie Technologien wie 5G und Edge Computing entpuppen sich HDDs und letztendlich auch SATA-SSDs immer mehr als ein limitierender Faktor. Überall dort wo Daten sofort verfügbar sein müssen und jede Mikrosekunde zählt, bietet NVMe Unternehmen und Rechenzentrumsbetreibern eine langfristige Perspektive und spielt seine Vorteile aus: eine höhere Bandbreite, weniger Latenz, Multi-Core-Unterstützung und damit deutlich höhere IOPS-Werte.

Worauf beim NVMe-Kauf zu achten ist

Bei aktuellen Rechnern ist es eher unwahrscheinlich, aber bei älteren PCs kann es vorkommen: Unter Umständen verfügen sie nicht über die notwendigen Anschlüsse und sind deshalb nicht mit NVMe kompatibel. In einem ersten Schritt sollten daher vorhandene Schnittstellen auf dem Motherboard überprüft und der benötigte Formfaktor bestimmt werden.

Darüber hinaus stellt sich die Frage nach der Leistungsklasse, in der die SSD betrieben werden soll. Wichtig in diesem Zusammenhang: Der Formfaktor hat keinen Einfluss auf die Performance einer SSD, die PCI-Express-Generation jedoch schon. Dessen Bandbreite hat sich über die Jahre mit jeder Generation verdoppelt, wobei PCIe 3.0 und PCIe 4.0 die zurzeit relevanten Versionen sind. Für viele Anwendungsbereiche reicht PCIe 3.0 aktuell aus, wer aber in den High-Performance-Bereich gehen oder sein Setup zukunftssicher machen möchte, sollte auf PCIe 4.0 setzen. Auch höhere Kapazitäten - momentan spricht man hier von bis zu 4 TB - sind nur mit einer PCIe-4.0-SSD zu bekommen. (hi)