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Was versteht man unter NVMe?
NVMe (Non-Volatile Memory Express) ist ein Protokoll für eine sehr parallele Datenübertragung mit weniger Systembelastung pro Ein-/Ausgabe (I/O), das in Flash Storage und Solid-State Drives (SSDs) verwendet wird.
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.
Was sind SSDs?
SSDs sind halbleiterbasierte Speichergeräte, die auf Flash-Speicher angewiesen sind, um dauerhafte 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 nicht flüchtige 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 Industriestandard für strukturierte Daten-Workloads.
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NVM express wurde von 2008 bis 2011 entwickelt, um die Protokolle SATA (Serial Advanced Technology Attachment) und SAS (Serial Attached SCSI) zu ersetzen. Die Latenz- und Leistungsverbesserungen von NVMe im Vergleich zu seinen Mitbewerbern trugen zur Entwicklung anderer wichtiger Technologien bei, darunter das Internet der Dinge (IoT), künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML).
Die Benutzer wollen heute 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 installieren 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.
Da das NVMe-Protokoll speziell zur Verwendung mit SSDs entwickelt wurde, ist es schlanker als SCSI und eignet sich dadurch besser für Echtzeitanwendungen wie ML und KI. Mit der zunehmenden Beliebtheit von Cloud-Computing-Umgebungen ist NVMe auch gut positioniert, um Hybrid-Cloud-, Multicloud- und Mainframe-Speicherumgebungen aufgrund seiner integrierten Hochleistung und Datensicherheit 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.
Kompatibler: 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 problemlos 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: Was ist der Unterschied?“
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 Funktion 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 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 Flash-fähiger NAND-SSDs. Und nicht zuletzt verwendet NVMe parallele Befehlswarteschlangen und eine „Polling-Schleife“ anstelle des „Interrupt“-basierten Gerätetreibers seiner Vorgänger. „Polling“ bedeutet, dass der Gerätestatus laufend abgefragt wird, während „Interrupts“ von Geräten genutzt werden, um zu signalisieren, dass ein Ereignis Aufmerksamkeit benötigt.Das reduziert die Latenzzeit und die Systembelastung, um CPU-Engpässe zu vermeiden, wenn z. B. 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 waren 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. 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 NVMeSDD ersetzen, um die Systemleistung zu verbessern.
m.2-NVMe-Laufwerke
m.2-SSDs sind ein weiterer physischer Formfaktor oder Konnektor für SSDs. Obwohl der Begriff häufig synonym mit NVMe verwendet wird, handelt es sich um unterschiedliche Arten von Speichertechnologien. Während NVMe-SSDs an einen PCI-Steckplatz auf der Hauptplatine angeschlossen werden und dadurch wesentlich höhere Datenübertragungsraten als die Konkurrenz erreichen, sind m.2-Laufwerke ein physischer Formfaktor bzw. Konnektor, 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 zueiner guten Option für Benutzer macht, die nicht so viel Geschwindigkeit oder Leistung für die ausgeführten Anwendungen benötigen.
NVMe – Anwendungsfälle
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:
Seine Geschwindigkeit, Programmierbarkeit und Fähigkeit zur Parallelverarbeitung machen NVMe ideal für eine Vielzahl von Datenverarbeitungsanwendungen mit hohem Leistungsbedarf, einschließlich 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 Warteschlangen und Befehle pro Warteschlange speichern, sodass Tausende weitere Befehle ausgeführt werden können.
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 Sie das Video eines Familientreffens bearbeiten oder an einem animierten Spielfilm arbeiten: Die schnellen Datenübertragungsraten von NVMe machen die Videobearbeitung erheblich schneller. 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.Außerdem begünstigt NVMe einen schnelleren, kostengünstigeren Entwicklungsprozess, sodass neue Anwendungen zügiger und mit einem größeren Satz von Tools eingeführt werden können.
NVMe-Flash-Speichersysteme beschleunigen die Anwendungsleistung und verringern die Anzahl der physischen Server, die in relationalen Datenbanken benötigt werden. Dadurch sind sie schneller als mit herkömmlichen Festplatten und können Abfragen schneller ausführen.
Weiterführende Lösungen
IBM Storage FlashSystem 5200 ist eine überzeugende Option für Unternehmen, die kompakten, leistungsstarken Speicher sowie alle Vorteile von NVMe benötigen. Als Teil der FlashSystem-Produktfamilie vereinheitlicht das 5200 mit revolutionärem 1U-Formfaktor die Datenverwaltung im Kern, in der Cloud und am Edge. Mit dem 5200 erhalten Unternehmen eine schnellere, leistungsfähigere und skalierbarere Datenspeicherlösung.
Verkürzen Sie die Time-to-Value, indem Sie eine cloudnative Infrastruktur für Ihre Anwendungen auf Virtual Machines und Containern auf Red Hat OpenShift nutzen.
IBM Storage Utility ist ein IBM Speicher-Verbrauchsmodell. Kunden erwerben damit eine an unternehmerische Initiativen geknüpfte Speicherkapazität für ihre Geschäftsanforderungen, die monatlich nach Nutzung berechnet und vierteljährlich in Rechnung gestellt wird.
Fußnoten
1 „IDC's Worldwide Enterprise Storage Systems Taxonomy, 2023“ (Link außerhalb von IBM), verschiedene Autoren, April 2023
2 „ESG Research Report: Data Infrastructure Trends“ (Link außerhalb von ibm.com), Enterprise Strategy Group, 15. November 2021
