Was versteht man unter NVMe?

NVMe-SSDs können durch Änderungen am Gerätetreiber, die Parallelität und Polling ermöglichen, schneller als herkömmliche Festplattenlaufwerke (HDDs) reagieren. Diese Verbesserungen tragen zur Reduzierung der Latenz bei und machen sie ideal für Unternehmens-Workloads sowie für Anwendungen im privaten und professionellen Bereich. Diese Vielseitigkeit deckt eine Vielzahl von Branchen ab, von Spielen und Mobiltechnologien bis hin zu E-Commerce-, Finanz- und Gesundheitsplattformen.

Die Nachfrage nach skalierbaren, leistungsstarken Speicherlösungen wächst stetig. Laut einem Bericht von Research and Markets wurde der globale Markt für NVMe im Jahr 2024 auf 212 Milliarden US-Dollar geschätzt. Der Wert wird voraussichtlich bis 2030 888,9 Milliarden USD erreichen und wächst von 2024 bis 2030 mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 27 %.¹

Künstliche Intelligenz (KI), Big-Data-Analysen und Anwendungen des Internets der Dinge (IoT) treiben diese Expansion voran, wobei NVMe und andere Technologien die Geschwindigkeit und Effizienz ermöglichen, die diese Workloads erfordern.

NVMe wurde von 2008 bis 2011 entwickelt, um die Protokolle Serial Advanced Technology Attachment (SATA) und Serial Attached SCSI (SAS) zu ersetzen. Die Verbesserungen von NVMe gegenüber seinen Konkurrenten haben es zum Industriestandard für Hochgeschwindigkeitsspeicher gemacht.

Die Benutzer wollen heute Anwendungen, die schneller reagieren als je zuvor. Das NVMe-Protokoll bietet Nutzern unabhängig von der Art der installierten Anwendung hohe Leistung der nächsten Generation, hohe Bandbreite und geringe Latenz.

NVMe-SSDs greifen primär über einen Peripheral Component Interconnect Express-Bus (PCIe) auf den Flash-Speicher zu, wodurch der „Middle Man“-Controller entfällt. NVMe kann jedoch auch auf jeder Art von „Interconnect“-Verbindung (NVMe-oF) – wie Fibre Channel und Ethernet – und innerhalb von Ethernet, iWarp, RoCEv2, iSER und NVMe-TCP laufen.

NVMe-SSDs können Zehntausende parallele Befehlswarteschlangen ausführen. Sie können Programme auch schneller ausführen als Laufwerke, die über das SCSI-Protokoll verbunden sind, welches nur eine einzige Befehlswarteschlange bereitstellen kann. Die Verbindungsmethode ist unabhängig vom Protokoll. Zum Beispiel können PCIe-SSDs, die NVMe verwenden, ein einzelnes Laufwerk mit einer PCIe-Verbindung verbinden, die das NVMe-Protokoll ausführt.

NVMe wurde für hochleistungsfähige, nichtflüchtige Speichermedien entwickelt und ist damit ideal für heutige anspruchsvolle, rechenintensive Umgebungen wie Grafikbearbeitungssoftware, Cloud Computing-Umgebungen, Firmware und große Datenbanken. NVMe bewältigt geschäftliche Workloads schnell und effizient mit einem kleineren Infrastrukturbedarf und weniger Stromverbrauch als SCSI.

Die Begriffe Non-Volatile Memory Express (NVMe) und Solid-State Drive (SSDs) werden häufig synonym verwendet, um zwei unterschiedliche Arten von Laufwerken zu beschreiben. Es handelt sich jedoch um unterschiedliche Arten von Datenspeicher-Technologie, die sich gegenseitig verbessern können. 

SSDs sind halbleiterbasierte Speichergeräte, die auf Flash-Speicher angewiesen sind, um persistente Daten in Computersystemen zu speichern. In einer SSD ist jeder Speicherchip aus Blöcken aufgebaut, die Zellen (auch Seiten oder Sektoren genannt) mit Speicherbits enthalten. Im Gegensatz zu magnetischen Speichermedien, wie HDDs und Diskettenlaufwerken, die Daten mithilfe von Magneten speichern, verwenden SSDs NAND-Chips. Diese nichtflüchtige Speichertechnologie benötigt keinen Strom, um die Daten zu erhalten.

Alle NVMe-Geräte sind SSDs. Allerdings nutzen nicht alle SSDs die PCIe-Technologie; einige SSDs verwenden immer noch die älteren SATA- und SAS-Schnittstellen, die ursprünglich für HDD-Geräte entwickelt wurden.

Mehr erfahren Sie unter SSD versus NVMe: Was ist der Unterschied?

Als Festplattenlaufwerke (HDDs) noch die bevorzugte Methode der Branche zum Speichern und Abrufen von Daten waren, stellten SATA und SAS geeignete Lösungen dar. SATA (Serielles Advanced Technology Attachment) wurde für den Anschluss von Speichergeräten entwickelt, die das ATA-Protokoll verwenden, während SAS (Serielles Attached SCSI) als SCSI-basierte Schnittstelle konzipiert wurde. Beide wurden für die mechanischen Eigenschaften von HDDs optimiert.

Bis vor Kurzem nutzten die meisten SSDs entweder SAS oder SATA, um sich mit dem restlichen Computersystem zu verbinden. Mit dem Aufkommen der Solid-State-Technologie in der Speicherbranche passten SAS und SATA jedoch eher ungünstig zusammen, weil sie für HDDs konzipiert sind.

Schließlich wurde NVMe speziell für SSDs entwickelt, und sein Protokoll ist schlanker als das von SCSI, was es zu einer besseren Lösung für Echtzeitanwendungen wie maschinelles Lernen (ML) und KI macht.

Mit der zunehmenden Beliebtheit von Cloud Computing unterstützt NVMe Hybrid Cloud-, Multicloud- und Mainframe-Speicherumgebungen dank seiner integrierten hohen Leistung und Datenschutzfunktionen.

NVMe (Non-Volatile Memory Express) wurde als bessere Option für Datenspeicherung und -übertragung als SATA für SSDs in Umgebungen entwickelt, in denen große Datenübertragungen erforderlich waren, ohne die Verarbeitungszeiten zu verlangsamen. 

Mit NVMe können SSDs über den PCIe-Bus und einen M.2- oder U.2-Adapter direkt mit der CPU verbunden werden – genau wie bei einem SATA-Laufwerk. Mit NVMe können SSDs über die PCIe-Schnittstelle direkt mit der CPU verbunden werden, sodass sie große Datenmengen schnell lesen und schreiben können.

Um höhere Leistung zu erzielen, definiert NVMe eine Registerschnittstelle, einen Befehlssatz und eine Gruppe von Funktionen für PCI-basierte SSDs. Wenn über den PCIe-Bus verbunden, ermöglicht das NVMe-Protokoll eine geringere Latenz und trägt zur Optimierung der E/A-Operationen pro Sekunde (IOPS) bei. Aktuelle NVMe-Laufwerke verwenden PCIe Gen 4 oder Gen 5, was maximale Leistung ermöglicht.

NVMe-Treiber unterstützen viele Arten von Betriebssystemen (OS), darunter Windows, Linux und macOS. Schließlich unterstützt das NVMe-Protokoll alle Arten von NVM, einschließlich Flash-fähiger NAND-SSDs.Außerdem verwendet NVMe parallele Befehlswarteschlangen und eine „Polling-Schleife“ und nicht den „Interrupt“ -basierten Gerätetreiber seiner Vorgänger. Dieser Ansatz reduziert die Latenz sowie den Systemaufwand und hilft, CPU-Engpässe zu vermeiden und den Gesamtdurchsatz zu verbessern.

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal der NVMe-Spezifikationen ist der Formfaktor, also die Art und Weise, wie Größe, Konfiguration und physischer Aufbau die Kompatibilität mit anderen Geräten beeinflussen. Im Jahr 2020 kam die Storage Networking Industry Association (SNIA) zusammen, um den Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF) zu etablieren und einen branchenweiten Rahmen für die SSD-Technologie zu schaffen.

Der vereinbarte Standard-Formfaktor für eine SSD ist 2,5 Zoll (6,35 cm), was problemlos in den Laufwerksschacht der meisten Laptops und Desktops passt. Dies macht NVMe-SSDs hochgradig kompatibel mit bestehender Technologie. Da das 2,5-Zoll-Laufwerk sowohl in privaten als auch kommerziellen Computerumgebungen weit verbreitet ist, lässt sich die Festplatte einfach und unkompliziert durch eine NVMe-SSD ersetzen, um die Systemleistung zu verbessern.

M.2 ist einer der am häufigsten verwendeten Formfaktoren für SSDs und ein Standard für physische Anschlüsse. Der Begriff wird zwar oft in Diskussionen mit NVMe-basierten Laufwerken verwendet, aber NVMe bezieht sich in diesem Zusammenhang eher auf den physischen Formfaktor als auf das Protokoll selbst.

NVMe-SSDs können für maximale Leistung an einen PCIe-Steckplatz auf einer Systemplatine angeschlossen werden. M.2 ist jedoch ein kompakter Formfaktor, der eine hohe Leistung bei Speicher in schlanken und leichten Geräten wie einem Laptop und einem Tablet ermöglicht.

Eine ausführlichere Erklärung zu NVMe und M.2 finden Sie hier: NVMe vs. M.2: Was ist der Unterschied?

Dynamic Random Access Memory (DRAM) ist eine weit verbreitete Form des Arbeitsspeichers und wird auf Computern, Servern und Workstations genutzt. NVMe-SSDs gibt es sowohl als DRAM- und als DRAM-lose Variante. 

NVMe-SSDs mit DRAM sind teurer und schneller als die ohne DRAM und eine bessere Option bei grafikintensiven Anwendungen wie Foto- oder Videobearbeitungssoftware.DRAM-lose NVMs sind günstiger und langsamer, aber immer noch viel schneller als HDDs oder SATA-SSDs. Diese Aspekte machen sie zu guten Optionen für Nutzer, die nicht so viel Geschwindigkeit oder Leistung für die Anwendungen benötigen, die sie ausführen.

NVMe-oF (Non-Volatile Memory Express over Fabrics) ist eine Protokollspezifikation, die Hosts mit gemeinsam genutztem Speicher über Netzwerk-Fabrics (z. B. Ethernet, Fibre Channel, RDMA) verbindet und so eine schnelle Kommunikation mit geringer Latenz ermöglicht.

Während NVMe über PCIe direkt mit einem Laufwerk und einem Host verbunden wird, arbeiten NVMe-over-Fabrics-Server netzwerkübergreifend mit größerer Reichweite. NVMe-oF hat NVMe nicht ersetzt, sondern ergänzt es, indem es die NVMe-Performance über netzwerkgebundenen gemeinsam genutzten Speicher ermöglicht.

Hier sind einige der wichtigsten Vorteile von NVMe-Speicher gegenüber SAS- oder SATA-SSD-Laufwerken:

• Bessere Leistung: NVMe-Technologie kann einen PCIe nutzen, um SSD-Speicher direkt mit einem Server oder einer Zentralprozessor/CPU zuverbinden. Diese deutliche Verbesserung der NVMe-Leistung hat es zur bevorzugten Option für Datenspeicherung und -übertragung für Gamer, Videoeditoren und andere Nutzer gemacht, die höhere Leistung benötigen als SAS- oder SATA-HDDs.

• Schneller: NVMe-Laufwerke können höhere Geschwindigkeiten als SAS- oder SATA-Laufwerke erzielen, da sie NVMe-Befehle schneller senden und empfangen sowie einen besseren Durchsatz bieten können.

• Erhöhte Kompatibilität: NVMe bietet eine signifikante Leistung gegenüber SAS/SATA und wird häufig aktualisiert, um kritische, schnell entwickelnde Technologien wie KI, ML und Cloud-Computing zu unterstützen. Es wird von modernen Betriebssystemen (OS)unterstützt, einschließlich mobiler Plattformen, und wird in Laptops und Spielkonsolen verwendet.

• Verbesserte Bandbreite: Die PCIe-Verbindung ist breiter und bietet mehr Bandbreite als SAS- oder SATA-Ports. Sie verbessert sich auch mit jeder Generation und verdoppelt die Bandbreite der vorherigen Generation. SAS und SATA haben Verbindungen mit geringerer Bandbreite und sind fest, sodass sie sich im Laufe der Zeit nicht verbessern. Ein weiteres Merkmal, das PCIe-Verbindungen auszeichnet, ist ihre Skalierbarkeit in „Lanes“, sodass Benutzer selbst in derselben Generation die Bandbreite mit der doppelten Anzahl von Lanes verdoppeln können. Eine tiefere Analyse von NVMe und SATA finden Sie unter „NVMe vs. SATA: Was ist der Unterschied?

Die geringe Latenz, die Energieeffizienz und die Fähigkeit von NVMe, Daten schneller als SAS- und SATA-Laufwerke zu speichern und zu übertragen, machen es zu einer starken Wahl sowohl für Unternehmen als auch für Privatanwender. NVMe-SSDs steigern nicht nur die Leistung und die Datenspeicherkapazität, sondern sind auch weiter verbreitet als SAS- oder SATA-SSDs und bei Verbraucherunternehmen wie Intel und Samsung erhältlich.

Hier sind einige gängige NVMe-Anwendungsfälle.

Die hohe Geschwindigkeit, Programmierbarkeit und Kapazität von NVMe zur Parallelverarbeitung machen es ideal für eine Vielzahl von Hochleistungs-Computing-Anwendungen (HPC), darunter Hochfrequenzhandel, KI und ML.

Viele hochmoderne Anwendungen erfordern beim Speichern eine Warteschlange mit hoher Tiefe. Im Gegensatz zu seinen SAS/SATA-Vorgängern kann NVMe bis zu 65.000 Warteschlangen und Befehle pro Warteschlange halten, was die gleichzeitige Verarbeitung von deutlich mehr Befehlen ermöglicht. 

Mit NVMe-SSDs kann die Speicherkapazität von Rechenzentren erweitert und höhere Leistung zu einem ähnlichen Preis wie für SATA-SSDs bereitgestellt werden – weshalb viele moderne Unternehmen diesen Wechsel vornehmen.

Laut einem Bericht der Enterprise Strategy Group verwenden fast drei Viertel der Unternehmen NVMe-basierten SSD-Speicher oder planen dies in den nächsten zwölf Monaten.²

Egal, ob man ein Video von einem Familientreffen bearbeitet oder an einem Animationsfilm arbeitet: Die schnelleren Datenübertragungsraten von NVMe beschleunigen die Videobearbeitung erheblich. Das Bearbeiten und Rendern einer Szene in einer Videobearbeitungssoftware generiert eine Menge Daten. Eine NVMe-SSD kann alle diese Daten verarbeiten, ohne den Prozess zu verlangsamen.

Der Einsatz von NVMe in containerisierten DevOps-Anwendungen hat für viele Entwickler den Zeitaufwand für große Builds verkürzt und Programmierungsdurchläufe beschleunigt. 

NVMe beschleunigt und verbilligt zudem die Entwicklung und hilft Teams, Apps schneller zu starten, da ihnen eine größere Auswahl an Tools zur Verfügung steht.

NVMe-basierte Systeme beschleunigen die Leistung von Anwendungen und reduzieren die Anzahl physischer Server, die für relationale Datenbanken benötigt werden, wodurch Unternehmen Abfragen effizienter und zu geringeren Infrastrukturkosten verarbeiten können.

In virtualisierten Umgebungen (zum Beispiel VMware, VDI) reduziert NVMe die Speicherlatenz und eliminiert E/A-Engpässe, die auftreten, wenn mehrere virtuelle Maschinen (VMs) um Speicherressourcen konkurrieren.

Außerdem ermöglicht NVMe die gleichzeitige Verarbeitung von Tausenden von Befehlen, so dass die Server mehr VMs unterstützen können, ohne an Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit einzubüßen.

Hochgeschwindigkeits-NVMe-SSDs beschleunigen das Training von ML- und KI-Modellen durch schnellen Zugriff auf große Datensätze. Dies unterstützt natürliche Sprachverarbeitung (NLP) und vorausschauende Analysen, bei denen Echtzeit-Entscheidungen für Workloads im Zusammenhang mit KI-gestützten medizinischen Diagnostiken und Finanzmodellierung erforderlich sind.