Warum NVMe besser ist als SATA und warum Sie zu diesen SSDs wechseln sollten

Von Nickolay Polovinkin | 20.09.2021, 23:12

Eines Tages wird der Markt es für Sie tun. Alte SATA-Laufwerke findet man nur noch auf Flohmärkten, in Museen oder in Militärbunkern, wo seit Jahrzehnten nichts mehr aktualisiert wurde. Wenn Sie nicht auf die Gnade des Fortschritts warten wollen und schon jetzt ein echtes Argument für NVMe sehen möchten, ist dieser Text genau das Richtige für Sie. Warnung: Es wird eine Menge obskurer Wörter und Akronyme geben, also seien Sie mutig.

Worüber reden wir überhaupt?

Wir sprechen hier über die Unterschiede zwischen SATA- und NVMe-SSDs, obwohl die beiden streng genommen nicht direkt vergleichbar sind. Der Punkt ist, dass NVMe ein Kommunikationsprotokollist, das in Laufwerken mit verschiedenen Formfaktoren verwendet werden kann, und SATA eine Schnittstelle mit ganz bestimmten Eigenschaften und einem bestimmten Anschluss ist. Um die Dinge zu vereinfachen, werden wir Ihnen natürlich sagen, warum NVMe besser ist als SATA, aber wir behalten das Verständnis für diese besondere Eigenschaft im Hinterkopf.

NVMe ist ein neuer Standard, richtig?

Relativ. Eine Arbeitsgruppe arbeitete von 2009 bis 2011 an der ersten Version der Norm, die seitdem mehrfach aktualisiert wurde. Die aktuellste Version heißt NVMe 1.3c. Die ersten kommerziellen Geräte, die diese Technologie nutzen, erschienen 2013. Wenn man sich ansieht, wie schnell sich die Technologie weiterentwickelt, ist NVMe im Jahr 2021 keine Neuheit mehr, sondern wird wahrscheinlich schon zum Mainstream gehören.

Was kam davor? Wie funktioniert die Kommunikation mit SSD-Laufwerken?

Ich werde es Ihnen gleich erzählen, aber ich muss am Anfang beginnen.

Antike: Parallel ATA (IDE)

In den 1980er Jahren war sicherlich noch keine Rede von massenproduzierten SSDs, aber die technische Herausforderung war da. Die Idee war, Daten zwischen Computern wie PCs und Speichermedien auszutauschen, wobei herkömmliche magnetische Festplatten und Wechselmedien die Rolle spielten. IBM nutzte die Vorteile eines 16-Bit-ISA-Busses und entwickelte ursprünglich eine IDE-Schnittstelle (Integrated Drive Electronics) für diesen Bus. Diese inzwischen überholte Lösung hatte damals einige herausragende Eigenschaften: Integration in den Antrieb, Standardisierung der Befehle, Unterstützung von zwei Geräten pro Kanal. Alte Hasen erinnern sich wahrscheinlich an die "Master/Slave"-Jumper auf Festplatten (um die Rollen dieser beiden Geräte festzulegen), haben aber vielleicht vergessen, dass IDE-Laufwerke ursprünglich auf 528 Megabyte begrenzt waren. Mit der Weiterentwicklung des Standards gehörte diese Einschränkung natürlich der Vergangenheit an, ebenso wie separate Schnittstellen für optische Laufwerke. Auch die Betriebsgeschwindigkeit nahm zu: Der direkte Speicherzugriff (DMA) kam auf, und die Leute, die davon wussten, schüttelten mitleidig den Kopf, wenn sie hörten, dass die Festplatte eines Freundes "in PIO abgestürzt" war (d. h. aufgrund einer Fehlfunktion in den alten Programmed Input/Output-Modus übergegangen war, was sie extrem langsam machte und den Prozessor während des Betriebs belastete). Aber um einen qualitativen Sprung zu machen, war eine völlig neue Technologie erforderlich, und das war die praktischere und schnellere SATA-Schnittstelle.

Moderne Zeiten: Serial ATA und AHCI

Die charakteristischen roten (meist) Kabel mit 7-poligen Steckern sind auch in modernen Systemboxen zu finden. Die erste Version dieser Schnittstelle ist mittlerweile 18 Jahre alt. Seitdem haben SATA-Laufwerke ihre maximale Übertragungsrate von 1,5 Gb/s auf 6 Gb/s erhöht. Aus logischer Sicht unterscheidet sich SATA auch stark von IDE. SATA-Laufwerke basieren auf dem AHCI-Mechanismus (Advanced Host Controller Interface). Interessanterweise wurde eine der wichtigsten Innovationen, die NCQ-Technologie (Native Command Queuing), ursprünglich für Festplattenlaufwerke entwickelt. Es sortiert die Befehle so, dass der Magnetkopf weniger Bewegungen macht, um auf verschiedene Bereiche der sich drehenden Platten zuzugreifen. Stellen Sie sich diese Paläontologie vor: Wo sind die Magnetplatten, und wo sind die heutigen schnellen SSDs? Allerdings sind nicht alle SSDs gleich schnell. Die ersten Versionen von SSDs mussten das damalige Ökosystem ausnutzen. Die Systemarchitektur sah in etwa so aus: Prozessor und Speicher kommunizierten über einen Bus (natürlich nicht mehr ISA, sondern PCIe) mit einem AHCI-Hostadapter, der mit SATA-Geräten arbeitete. Festkörperspeicher können viel schneller arbeiten, daher war es notwendig, die Dinge so einfach wie möglich zu halten, indem man alle Zwischenstufen eliminierte. So entstand NVMHCI (Non-Volatile Memory Host Controller Interface), besser bekannt als NVMe, das direkt mit dem PCI Express-Bus arbeitet.

Ein NVMe-Laufwerk kann also direkt an PCIe angeschlossen werden wie eine Grafikkarte?

Ja, aber in der Praxis hängt es von der Konstruktion des einzelnen Antriebs ab. Modelle, die für PCI-Express-Steckplätze konzipiert und als klassische Erweiterungskarten gebaut wurden, sind auf dem Massenmarkt relativ selten. In Serveranwendungen wird eine Vielzahl von Formaten verwendet, vom klassischen 2,5-Zoll-U.2 bis hin zum spezifischeren Intel EDSFF und dem kompakten Samsung NGSFF. In gewöhnlichen Computern können moderne NVMe-Laufwerke auf die altmodische Weise in ein 2,5-Zoll-Gehäuse gepackt werden, aber zunehmend wird der kompakte M.2-Anschluss verwendet. Und damit ist eine gewisse Verwirrung verbunden, die es bei der Auswahl der Komponenten zu vermeiden gilt. Tatsache ist, dass der M.2-Anschluss sowohl für den Anschluss von NVMe- als auch SATA-Laufwerken verwendet wird. Ja, es gibt SSDs, die noch den langsameren SATA-Anschluss verwenden. Optisch erkennt man den Unterschied an den beiden markanten Schlitzen am Anschluss, während SATA das Laufwerk auf eine Geschwindigkeit von 600 MB/s begrenzt.

M.2 SSD mit SATA

M.2 SSD mit NVMe

Schnittstelle	PCIe		SATA III
Protokoll	NVMe	AHCI
Bus	PCIe x2 x4	PCIe x2 x4	SATA III
Formfaktor	M.2, U.2, PCIe	M.2, PCIe	M.2, 2.5"
Maximale Lesegeschwindigkeit	>3000 MB/s	>2000 MB/s	>500 MB/s
Maximale Schreibgeschwindigkeit	>2000 MB/s	>1500 MB/s	>500 MB/s

Oh, reden wir über Geschwindigkeit. Wie schnell ist NVMe?

Wie wir bereits wissen, arbeitet NVMe direkt mit dem PCI Express-Bus und ist theoretisch durch dessen Bandbreite begrenzt. Erinnern Sie sich daran, dass die neueste PCI Express 4.0-Spezifikation eine Geschwindigkeitsobergrenze von 8 GB/s für vier Lanes festlegt (das ist der Modus, in dem SSDs normalerweise arbeiten). Mit dem kommenden PCI Express 4.0 wird sich dieser Wert nochmals verdoppeln. Das ist doch ein beeindruckender Unterschied, oder?

Ja, aber ist die tatsächliche Geschwindigkeit nicht niedriger? Wie wird es schneller?

Es gibt natürlich Nuancen. Die NCQ-Befehlswarteschlange wurde nicht umsonst in AHCI integriert, um die Laufwerksleistung zu verbessern. NVMe hat eine viel höhere Messlatte als SATA, so dass es auch ein ernsthaftes Arsenal hat, mit dem es arbeiten kann. Vor allem die Warteschlangen für den Unterricht wurden grundlegend umgestaltet. Die Tabelle veranschaulicht die Veränderungen am besten.

	AHCI	NVMe
Maximale Befehlstiefe	eine Befehlswarteschlange, 32 Befehle pro Warteschlange	65536 Warteschlangen, 65536 Befehle pro Warteschlange
Nicht aufhebbare Registeranfragen (jeweils für 2K Zyklen)	6 pro Befehl ohne Warteschlange, 9 pro Befehl in der Warteschlange	2 pro Befehl
MSI-X und Interrupt-Management	ein Interrupt, ohne Steuerung	2048 MSI-X-Interrupts
Parallelität und Multithreading	mit Synchronisationssperre	ohne Sperre
Effizienz für 4KB-Befehle	Befehlsparameter erfordern zwei Samples vom DRAM-Host	Befehlsparameter werden in einem 64-Byte-Sample übertragen

Die Befehle selbst wurden ebenfalls bereinigt, sie wurden weniger (nur 13, wenn man Steuer- und Reservebefehle nicht mitzählt) und einfacher zu handhaben. Vor allem, weil der NVMe-Controller Teil des Laufwerks ist und der Datenaustausch ohne zusätzliche Vermittler erfolgt.

Cool, aber wie wählt man das richtige NVMe-Laufwerk aus?

Erstens kann man Sie bereits zur Wahl der richtigen Technologie beglückwünschen. SATA-Festplatten sind im Jahr 2021 nur für bestimmte Anwendungen sinnvoll, daher ist NVMe die Standardoption.

Zweitens, schauen wir uns die spezifischen Typen von NVMe-Geräten an, die zur Auswahl empfohlen werden können, sowie deren Spezifikationen.

Siehe Formfaktor. In den allermeisten Fällen ist eine kompakte M.2 die richtige Wahl. Das 2,5"-Laufwerksformat wird normalerweise für SATA-Modelle verwendet, an denen wir nicht interessiert sind. Wenn Sie aus irgendeinem Grund keinen M.2-Anschluss haben, aber über das Budget für ein teures und leistungsstarkes Laufwerk verfügen, sollten Sie eine SSD in Betracht ziehen, die als PCI Express-Karte implementiert ist. Es gibt noch weitere, weniger gebräuchliche Formate, die Sie aber wahrscheinlich nicht benötigen, da sie hauptsächlich in Servern und Speichersystemen verwendet werden, die wir bereits erwähnt haben.

Abmessungen. Ja, diese sind abhängig vom Formfaktor, aber achten Sie genau darauf, wenn Sie ein Laufwerk für ein Notebook, einen Nettop oder ein Home Media Center mit einem kompakten Formfaktor in Betracht ziehen. In manchen Fällen müssen Sie den verfügbaren Platz buchstäblich mit einem Lineal ausmessen und ihn dann mit den Spezifikationen für das von Ihnen gewählte Gerät vergleichen, bevor Sie es kaufen. Es ist nicht möglich, eine Laufwerksplatine zu feilen, die nicht in ein Gehäuse passt, also seien Sie vorsichtig.

Vergessen Sie nicht die Version von PCI Express. Zurzeit gibt es SSDs, die entweder mit Version 3 oder 4 des Standards arbeiten. PCI Express 4.0 ist schneller, muss aber auf der Motherboard-Ebene implementiert werden.

Speichertyp. Dies geht über den Rahmen der NVMe-Diskussion hinaus und bezieht sich auf das Flash-Laufwerk selbst. Der Unterschied zwischen den beiden Typen liegt in der Speicherdichte. Je dichter, desto preiswerter, aber möglicherweise langsamer. SLC-Speicher sind die schnellsten, aber nicht die gängigsten, gefolgt von MLC, TLC und QLC. Es wäre falsch zu sagen, dass ein Speichertyp zwangsläufig besser ist als ein anderer. Die Hersteller optimieren ihre Chiptechnologien ständig, so dass die Art des Speichers keine entscheidende Rolle spielen sollte.

Samsung SSDs mit NVMe

Editorial gg dankt Samsung für die Unterstützung bei diesem Artikel.

Modell	SSD-Typ	Lese-/Schreibgeschwindigkeit
970 Evo Plus	M.2 PCIe 3.0 x4 V-NAND MLC	bis zu 3500 MB/s bis zu 3000 MB/s
970 Pro	M.2 PCIe 3.0 x4 V-NAND MLC	bis zu 3500 MB/s bis zu 2700 MB/s
980	M.2 PCIe 3.0 x4 V-NAND MLC	bis zu 3500 MB/s bis zu 3000 MB/s
980 Pro	M.2 PCIe 4.0 x4 V-NAND MLC	bis zu 7000 MB/s bis zu 5000 MB/s

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Nickolay Polovinkin

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