NVMe und SATA: Was ist der Unterschied und was ist schneller?

NVMe ist ähnlich wie SATA, hat aber einige Vorteile gegenüber SATA. Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Artikel viele technische Details enthält; wenn Sie einfach nur daran interessiert sind, welche Festplatte Sie wählen sollten, haben wir einen anderen Artikel mit dem Titel Konventionelle SSD-Laufwerke und NVMe-Laufwerke geschrieben.

NVMe (Non-Volatile Memory Express) ist ein Schnittstellenprotokoll, das speziell für Solid-State-Laufwerke (SSDs) entwickelt wurde. SSDs haben keine beweglichen Teile und sind in vielerlei Hinsicht robuster als HDDs. Bereits jetzt sind SSDs die primäre Speicherquelle für Smartphones und Tablets. Darüber hinaus sind SSDs teurer als HDDs und werden oft als Cache in Verbindung mit HDDs verwendet, um die Computerleistung zu steigern.

Da SSDs zunehmend die langsameren Festplattenlaufwerke (HDDs) in Computern ersetzen, wurde eine neue Schnittstelle benötigt, um die hohen Geschwindigkeiten von SSDs zu nutzen. In der Vergangenheit wurde bei SSD-Installationen auf SSDs über Schnittstellen wie Serial Attached SCSI (SAS) und Serial ATA (SATA) zugegriffen, die mit langsameren Festplatten verwendet wurden. SSDs haben jedoch den eindeutigen Vorteil, dass sie einen schnelleren Zugriff über PCI Express (PCIe) bieten.

NVME wurde von Grund auf als Methode für den effizienten Zugriff auf Speichergeräte mit nichtflüchtigem (Flash-)Speicher, nämlich Solid State Drives (SSDs), entwickelt. NVMe bietet eine schnellere Schnittstelle zur Nutzung der Geschwindigkeiten, zu denen SSDs in der Lage sind. NVMe ist eine optimierte, skalierbare Host-Controller-Schnittstelle, die für Unternehmenssysteme, Rechenzentren und Client-Systeme entwickelt wurde, die PCI Express (PCIe) SSDs verwenden.

Die Spezifikation für den NVMe-Standard ist unter nvmexpress.org verfügbar.

Es gibt mehrere alternative Schnittstellen für SSDs (die als Ersatz für Festplatten in PCs verwendet werden können), wie Serial ATA (SATA), mSATA und PCIe. Bei PCIe kann die interne Schnittstelle verwendet werden, wenn sich die SSD auf einer Karte befindet, die in einen PCIe-Anschluss auf dem Motherboard eingesteckt werden kann. Heutige Server können auf SSDs über Serial SCSI (SAS), SATA, PCIe oder Glasfaser zugreifen.

NVMe-basierte SSDs verwenden PCIe, um eine geringere Latenzzeit zu erreichen. Formfaktoren, die das NVMe-Protokoll verwenden, müssen mit PCIe auf dem Computer verbunden werden. Verbindungen für NVMe können über eine PCIe-Erweiterungskarte, einen 2,5-Zoll-U.2-Anschluss oder einen kleinen M.2-Formfaktor hergestellt werden. Heutzutage zeigen die SSD-Hersteller eine Tendenz zur Umstellung auf PCIe, wobei die meisten den M.2-Anschluss verwenden, der als "Next Generation Form Factor" bekannt ist.

Wie funktioniert NVMe?

Die Submission and Completion Queue ist einer der Mechanismen, die die SSD-Technologie in NVMe nutzen. Die Warteschlangen-Host-Software verwaltet den SSD-Datenfluss, erstellt und löscht einzelne Warteschlangen, bricht Befehle ab usw. Ein Computer mit vier Kernen kann vier Paare von Warteschlangen haben, um sicherzustellen, dass die Datenstrukturen im Cache des entsprechenden Kerns gespeichert werden (siehe Abbildung). Außerdem unterstützt NVMe mehrere tiefe Warteschlangen, die voneinander unabhängig sind.

Abbildung. Bei NVMe ist das Submission and Completion Queue System ein Mechanismus, der die Vorteile der SSD-Technologie nutzt (Bild: nvmexpress.org)

NVMe-SSDs auf dem Markt

NVMe wurde ursprünglich für Unternehmenssysteme und Rechenzentren entwickelt. Jetzt hält NVMe allmählich Einzug in den Verbrauchermarkt.

SATA hat eine Bandbreitenbegrenzung von 6,0 Gigabit pro Sekunde (Gbps), während SAS eine Bandbreitenbegrenzung von 12 Gbps hat.

NVMe ist ein Schnittstellenprotokoll, das die PCIe-Technologie nutzt, um Daten zwischen einem Prozessor und einer SSD zu übertragen.

PCIe 3.0 wurde 2010 veröffentlicht und bietet ~1 GB/s pro Leitung (bidirektional).

Mit 4 Lanes bietet PCIe 3.0 8 Gbps in beide Richtungen gleichzeitig (duplex) für insgesamt 16 Gbps.

PCIe ist außerdem skalierbar. Bei 16 Lanes bietet PCIe 3.0 einen Duplex von 16 Gbit/s.

Die PCIe 4.0-Spezifikation wurde Ende 2017 veröffentlicht. Im Vergleich zu PCIe 3.0 verdoppelte sie den Durchsatz, verringerte die Latenz, verbesserte Skalierbarkeit und Virtualisierungsunterstützung. Die PCI-Express-5.0-Spezifikation soll 2019 erscheinen. Die Busgeschwindigkeit von PCI Express 5.0 soll bis zu 32 GT/s (Gigatransaktionen/s) betragen.