Was versteht man unter NVMe?

NVMe-SSDs können durch Änderungen am Gerätetreiber, die Parallelität und Polling ermöglichen, schneller als herkömmliche Festplattenlaufwerke (HDDs) reagieren. Durch diese Verbesserungen sinkt die Latenz, was sie ideal für geschäftliche Workloads sowie zahlreiche private und professionelle Anwendungen macht.

SSDs sind halbleiterbasierte Speichergeräte, die auf Flash-Speicher angewiesen sind, um persistente Daten in Computersystemen zu speichern. Bei einem SSD besteht jeder Speicherchip aus Blöcken mit Speicherzellen (auch Seiten oder Sektoren genannt), die Speicherbits enthalten. Im Gegensatz zu Magnetspeichern wie Festplatten und Diskettenlaufwerken, die Daten magnetisch speichern, sind es bei Solid-State Drives NAND-Chips, eine nichtflüchtige Speichertechnologie, die Daten ohne Strom aufbewahrt.

Während es bei Festplatten durch das Drehen der Platten und die Bewegung der Lese-/Schreibköpfe eine inhärente Latenz- und Zugriffszeit gibt, haben SSDs keine beweglichen Teile – weshalb sie viel schneller sind. SSDs überholen HDDs als bevorzugter Branchenstandard für strukturierte Daten-Workloads.

NVM express 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 bei der Latenz und der Leistung gegenüber seinen Konkurrenten trugen zur Entwicklung anderer wichtiger Technologien bei, darunter das Internet der Dinge (IoT), künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML).

Heutige Benutzer wollen Anwendungen, die schneller reagieren als je zuvor. Das NVMe-Protokoll bietet unabhängig von der Art der installierten Anwendung hohe Leistung, hohe Bandbreite und geringe Latenz. NVMe-SSDs greifen hauptsächlich über einen Peripheral Component Interconnect Express (PCIe)-Bus auf Flash-Speicher zu, der den „Middle Man“-Controller entfernt und die Latenz reduziert. NVMes können jedoch auch auf jeder Art von „Fabric“-Verbindung ausgeführt werden, z. B. Fibre Channel und Ethernet, sowie innerhalb von Ethernet, iWarp, RoCEv2, iSER und NVMe-TCP.

NVMe-SSDs können Zehntausende paralleler Befehlswarteschlangen abwickeln und Programme schneller als über das SCSI-Protokoll verbundene Laufwerke ausführen, die nur eine einzige Befehlswarteschlange bereitstellen können. Die Verbindungsmethode ist unabhängig vom Protokoll: NVMe PCIe kann z. B. über einen PCIe-Link mit NVMe-Protokoll ein einzelnes Laufwerk verbinden.

NVMe wurde für hochleistungsfähige, nicht flüchtige Speichermedien entwickelt. Dadurch eignet es sich ideal für die anspruchsvollen, rechenintensiven Umgebungen von heute, wie z. B. Grafikbearbeitungssoftware, Cloud-Computing-Umgebungen, Firmware und große Datenbanken. NVMe bewältigt geschäftliche Workloads schnell und effizient mit geringerem Infrastrukturbedarf und weniger Stromverbrauch als SCSI.

Solange branchenweit noch Festplatten für Datenspeicherung und -zugriff bevorzugt wurden, waren SATA und SAS geeignete Lösungen. Beide Technologien wurden als SCSI-Speicherschnittstellen entwickelt, damit Daten einfacher auf und von Festplatten übertragen werden konnten. SAS verbindet ein einzelnes Laufwerk über einen SAS-Port mit SCSI-Protokoll, der sich dann mit einer PCIe-Verknüpfung verbindet. SATA verbindet ein einzelnes Laufwerk über einen SATA-Port mit dem ATA-Protokoll über einen ATA-Controller, der sich dann mit einer PCIe-Verknüpfung verbindet.

Bis vor Kurzem nutzten die meisten SSDs  entweder SAS oder SATA, um sich mit dem restlichen Computersystem zu verbinden. Je weiter sich die Solid-State-Technologie jedoch in der Speicherbranche verbreitete, desto schlechter passten SAS und SATA, da sie für Magnetplatten entwickelt worden waren. Laut einem Bericht der International Data Corporation (IDC) von 2023 sollten Daten mit NVMe schneller an per PCI express verbundene Systeme übertragen werden. PCIe ist ein serieller Erweiterungsbus, der zum Standard für den Anschluss eines Computers an ein oder mehrere Peripheriegeräte gehört.

Zusätzlich zu der Tatsache, dass es speziell für die Verwendung mit SSDs entwickelt wurde, ist das NVMe-Protokoll schlanker als SCSI, was es zu einer besseren Lösung für Echtzeitanwendungen wie ML und AI macht. Angesichts der zunehmenden Beliebtheit von Cloud Computing-Umgebungen ist NVMe aufgrund seiner integrierten hohen Leistung und Datensicherheit auch gut positioniert, um hybride Cloud-, Multicloud- und Mainframe-Speicherumgebungen zu unterstützen.

Hier sind einige der Vorteile von NVMe-Speichern gegenüber SAS- oder SATA-Laufwerken:

Leistungsstärker: NVMe-Technologie kann SSD-Speicher über PCIe direkt mit einem Server oder einer CPU verbinden. Diese deutliche Leistungsverbesserung hat die NVMe-Technologie zur bevorzugten Datenspeicher-/Übertragungsoption für Gamer, Videobearbeiter und andere Benutzer gemacht, die mehr Leistung als die von SAS- oder SATA-Festplatten brauchen.

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

Höhere Kompatibilität: NVMe gilt gemeinhin als kompatiblere Option als SAS/SATA und wird häufig aktualisiert, da es zusammen mit entscheidenden, schnelllebigen Technologien wie KI, ML und Cloud Computing weiterentwickelt wird. Die NVMe-Technologie funktioniert nahtlos mit allen modernen Betriebssystemen, auch auf Handys, Laptops und Spielekonsolen.

Verbesserte Bandbreite: Die PCIe-Verbindung ist breiter und bietet mehr Bandbreite als SAS- oder SATA-Ports. Außerdem verbessert sich dies mit jeder Generation: Sie verdoppelt die Bandbreite der vorherigen Generation. SAS und SATA verfügen über Verbindungen mit geringerer Bandbreite, die sich im Zeitverlauf nicht verbessern. Ein weiteres Merkmal, das PCIe-Verbindungen auszeichnet, ist die Skalierbarkeit in Lanes („Spuren“). So können die Benutzer selbst in derselben Generation die Bandbreite mit der zweifachen Anzahl von Lanes verdoppeln.

Weitere Informationen zu NVMe und SATA finden Sie unter„ NVMe versus SATA: What's the difference?“

Bis zur Entwicklung von SSDs und Flash-Speicher wurde SATA bei allen Festplatten-Speichersystemen verwendet. Apps, Videospiele und neue Technologien wie KI, die die Anforderungen an die Datenverarbeitung erhöhen, haben jedoch die Grenzen von SATA aufgezeigt. Vor allem durch die geringe Geschwindigkeit und Bandbreite von SATA verlangsamte sich die Übertragung großer, für die Funktionen neuer Anwendungen entscheidender Datenmengen.

NVMe wurde als bessere Datenspeicher-/Übertragungsoption als SATA für SSDs in Umgebungen erfunden, in denen viele Daten übertragen werden müssen, ohne dass die Verarbeitungszeit steigt. 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. SSDs können sich über NVMe direkt mit der CPU verbinden, um große Datenmengen schnell zu lesen und zu schreiben.

Um eine höhere Leistung zu erzielen, definiert NVMe eine Registerschnittstelle, einen Befehlssatz und eine Gruppe von Funktionen für PCI-basierte SSDs. Sobald die Verbindung über den PCIe-Bus hergestellt ist, ermöglicht das NVMe-Protokoll eine geringere Latenz und trägt zur Optimierung der E/A-Operationen pro Sekunde (IOPS) bei.

NVMe-Treiber unterstützen viele Arten von Betriebssystemen (OS), darunter Windows, Linux und MacOS. Außerdem unterstützt das NVMe-Protokoll alle Arten von NVM, einschließlich flashfähiger NAND-SSDs. Schließlich verwendet NVMe parallele Befehlswarteschlangen und eine „Polling-Schleife“ anstelle des „Interrupt“-basierten Gerätetreibers seiner Vorgänger, was die Latenzzeit und den System-Overhead reduziert und hilft, CPU-Engpässe zu vermeiden, z. B. wenn eine Grafikkarte schneller ist als die zugehörige CPU.

Formfaktoren für NVMe-SSDs

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. Kürzlich entschied sich die SNIA (Storage Networking Industry Association) zur Einführung des EDSFF (Enterprise and Datacenter Standard Form Factor, Standard-Formfaktor für Unternehmen und Rechenzentren) als vereinbartem, branchenweitem Rahmen für die SSD-Technologie.

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

m.2-NVMe-Laufwerke

M.2-SSDs sind ein weiterer physischer Formfaktor oder Anschluss, der in SSDs verwendet wird. Obwohl der Begriff häufig synonym mit NVMe verwendet wird, handelt es sich dabei um unterschiedliche Arten von Speichertechnologien. Während NVMe-SSDs an einen PCI-Steckplatz auf einer Hauptplatine angeschlossen werden, wodurch sie wesentlich höhere Datenübertragungsraten als ihre Konkurrenten erreichen, sind M.2-Laufwerke ein physischer Formfaktor bzw. Anschluss, der Hochleistungsspeicher in kleinen, stromsparenden Geräten wie ultradünnen Laptops und Tablets ermöglicht.

NVMe und dynamisches RAM

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. NVMes ohne DRAM sind erschwinglicher und langsamer, aber immer noch viel schneller als Festplatten oder SATA-SSDs, was sie zu einer guten Option für Benutzer macht, die nicht so viel Geschwindigkeit oder Leistung für die ausgeführten Anwendungen benötigen.

Aufgrund der geringen Latenz und des niedrigen Stromverbrauchs von NVMe sowie der Fähigkeit, Daten schneller als SAS- und SATA-Laufwerke zu speichern und zu übertragen, ist es sowohl für den geschäftlichen als auch den privaten Gebrauch geeignet. NVMe-SSDs steigern nicht nur die Leistung und die Datenspeicherkapazität, sondern sind auch allgemeiner verfügbar als SAS- oder SATA-SSDs. Sie sind von namhaften Unternehmen wie Intel und Samsung erhältlich. Hier sind einige häufige NVMe-Anwendungsfälle: