Es überrascht nicht, dass die Geschwindigkeit von NVMe beeindruckend ist: Ein hochkarätiges Konsortium aus Speicher- und Serveranbietern entwickelte NVMe als leistungsstarke Schnittstellenspezifikation, die NAND-SSDs über den PCIe-Bus beschleunigt. Die logische Geräteschnittstelle von NVMe nutzt die geringe Latenz und den Parallelismus von SSDs, um IOPS und Durchsatz zu steigern und die Latenz zu verringern.
Das NVMe-Protokoll bietet hohe Bandbreite und geringe Latenz sowie Flash-spezifische Verbesserungen. Es unterstützt aktuellen NAND-Flash und lässt sich für künftige Hochleistungsgeräte skalieren, die auf Technologien mit persistentem Speicher basieren. Die Geschwindigkeit von NVMe übertrifft die Leistung der zuvor verwendeten SATA- und SAS-Laufwerke, doch Geschwindigkeit allein ist nicht der einzige Grund, eine SSD in Ihren Servern oder Rechenzentren einzusetzen. Dieser Leitfaden behandelt sowohl die Merkmale als auch die Einschränkungen von NVMe-Speichergeräten.
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- Wie schnell sind NVMe-SSDs?
- NVMe-Architektur
- 6 Merkmale, die die NVMe-Geschwindigkeit steigern
- 3 Einschränkungen von NVMe
- NVMe-oF (NVMe over Fabrics)
- NVMe-Geschwindigkeit im Vergleich zu anderen SSD-Typen
- Fazit: NVMe-Geschwindigkeit
Wie schnell sind NVMe-SSDs?
NVMe (Non-Volatile Memory Express) wurde für eine exponentiell effizientere Speicherverarbeitung und höhere Lese-/Schreibgeschwindigkeiten entwickelt. Es übertrifft problemlos die Geschwindigkeit älterer Speicherprotokolle wie SATA und SAS. Zu den bedeutenden NVMe-SSD-Anbietern gehören Samsung, Kingston Technology, Crucial, Kioxia und Western Digital.
Bis zu 64.000 Warteschlangen
NVMe wurde speziell für Geschwindigkeit entwickelt und nutzt eine Architektur auf Basis von PCI Express. PCIe-Standards ordnen Vorgänge über gemeinsam genutzten Speicher zu, vereinfachen die interne Software und optimieren die Ein-/Ausgabe mit bis zu 64.000 Warteschlangen.
Geschwindigkeitssteigerung gegenüber älteren Protokollen
Die Merkmale von NVMe machen es deutlich schneller als ältere SAS- und SATA-SSDs, ganz zu schweigen von SAS-/SATA-Festplatten. Diese Geschwindigkeiten sind häufig fünf- bis zehnmal höher als bei SATA-Festplatten und -SSDs.
Spitzenwerte
Einige der schnellsten NVMe-Laufwerke können mit 7 GB/s lesen und mit 5–6 GB/s schreiben. Dieselben Laufwerke erreichen mehr als 500.000 zufällige Lese-IOPS und 500.000 Schreib-IOPS.
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NVMe-Architektur
NVMe nutzt den PCI-Express-Busstandard eines Computers oder Servers, um die NVMe-SSD mit der zentralen Verarbeitungseinheit zu verbinden. Dieser direktere Zugriff auf die CPU ermöglicht es NVMe-Laufwerken, einen weiteren Kommunikationsschritt zu umgehen. SATA-SSDs müssen beispielsweise den SATA-Controller verwenden, um mit der CPU zu kommunizieren. Dieser zusätzliche Schritt benötigt mehr Zeit, sodass die Lese-/Schreibgeschwindigkeiten geringer sind. Die engere Kommunikation von NVMe-Laufwerken mit der CPU steigert die Geschwindigkeit.
Die mehreren Threads einer NVMe-SSD verbessern ebenfalls die Leistung. Mehrere Threads auf einem Laufwerk ermöglichen parallele Verarbeitung; der Speicher kann mehrere Vorgänge gleichzeitig ausführen. Das ist vorteilhaft für Computer und Server, auf denen gleichzeitig umfangreiche Anwendungen laufen.
Die NVMe-Spezifikation wird als PCIe-Erweiterungskarte in Standardgröße oder im 2,5-Zoll-Formfaktor mit einer vierspurigen PCIe-Schnittstelle über einen U.2-Anschluss angeboten. U.2 ist wegen der einfachen Bereitstellung eine beliebte Wahl und verbindet SSDs mit einem Host. NVMe-U.2-Laufwerke verfügen häufig über vier PCIe-Lanes, zwei SAS-Lanes und eine SATA-Lane für breite Schnittstellenunterstützung im 2,5-Zoll-Formfaktor.
Die M.2-Mini-Board-Spezifikation für PCIe-, SATA- oder USB-Formfaktoren ist ein beliebter Standard für NVMe-Anwendungen im Consumer-Bereich. M.2-Boards sind in mehreren Größen erhältlich, darunter der kleinste verfügbare PCIe-Formfaktor.
Die Speicherkapazität von NVMe-Laufwerken beginnt bei verbrauchertypischen 450 GB. Die derzeit höchsten Speicherkapazitäten liegen im Rechenzentrum bei etwa 30 TB, allerdings handelt es sich dabei um die absolute Obergrenze.
6 Merkmale, die die NVMe-Geschwindigkeit steigern
Die NVMe-Schnittstelle verbessert ihre Vorgänger, weil sie für höhere Geschwindigkeiten, bessere Serverleistung und eine effizientere Zuordnung von Befehlen entwickelt wurde. Diese Merkmale von NVMe-SSDs machen sie insgesamt schneller als ältere Laufwerke und SATA-SSDs.
SSD-Parallelismus
Die Architektur nutzt den Parallelismus von SSDs, um den Ein-/Ausgabe-Overhead zu verringern. HDDs und auch Bänder reagieren empfindlich auf Zugriffsmuster. Sequenzielle Daten ermöglichen eine höhere Leistung, während zufällige Daten den Datenzugriff verlangsamen. SSDs arbeiten parallel, daher haben zufällige oder sequenzielle Daten nur geringe Auswirkungen auf ihre Leistung.
Moderner Bus
Hybride Flash-Arrays waren häufig ein Engpass, da die SSD-Ebenen mehr Geschwindigkeit boten, als die HDD-Speicherschnittstellen unterstützen konnten. Die IT glich dies bis zu einem gewissen Grad mit Mehrkernprozessoren und viel RAM aus. Effizienter und kostengünstiger ist jedoch der Einsatz von NVMe, das speziell für die Nutzung der SSD-Geschwindigkeiten entwickelt wurde. NVMe nutzt den PCIe-Bus und -Standard, der mehrere Lanes für die Datenübertragung verwenden kann.
Leistungsverbesserungen
Zu den weiteren Verbesserungen von NVMe gehört die Möglichkeit, eine einzelne Warteschlange mit einer Kapazität von 64.000 zu unterstützen und etwa 64.000 solcher langen Warteschlangen gleichzeitig zu verarbeiten. Zusammen mit der Latenzreduzierung beschleunigt dies die Leistung ausgelasteter Server, die gleichzeitige Anfragen verarbeiten.
RDMA
NVMe verwendet den direkten Fernspeicherzugriff (RDMA) über den PCIe-Bus. Dadurch kann die Schnittstelle Ein-/Ausgabebefehle und Antworten dem gemeinsam genutzten Host-Speicher zuordnen, was CPU-Ressourcen freisetzt. NVMe optimiert außerdem seinen Befehlssatz und gibt weniger als halb so viele CPU-Anweisungen aus wie SATA oder SAS.
Controller-Speicherpuffer
Der NVMe-Puffer ermöglicht es dem Host, Befehle im Controllerspeicher zu formulieren, statt auf das Abrufen von Befehlen über PCIe angewiesen zu sein. NVMe überträgt Speicherblöcke statt SCSI-Befehle, was zu geringerer Latenz führt. Außerdem priorisiert NVMe Befehle, indem es die Parameter der Service-Level-Agreements berücksichtigt.
Reservierungen
NVMe unterstützt Reservierungen für mehrere Hosts in Windows-Clustern, die den Host-Zugriff durch die Verwaltung gemeinsam genutzter Namespaces koordinieren.
3 Einschränkungen von NVMe
NVMe-basierte Laufwerke bieten enorme Vorteile bei geschwindigkeitsintensiven Vorgängen, doch ihre Anschaffung und Bereitstellung ist kein Kinderspiel – insbesondere für große Unternehmen mit hohem Verarbeitungsbedarf. Zu den Einschränkungen von NVMe gehören Kosten, fehlende Systemunterstützung und das Design.
Kosten
NVMe-basierter Speicher ist teurer als andere Speichergeräte. M.2- und U.2-SSDs kosten im Allgemeinen mehr als Festplatten. In den vergangenen Jahren ist der Kostenunterschied zwischen NVMe- und anderen Laufwerken gesunken, und NVMe-SSDs sind erschwinglicher geworden. Bei riesigen Datenmengen sind Laufwerke mit hoher Kapazität jedoch nach wie vor äußerst teuer. Sie zahlen für die hohen Geschwindigkeiten, und für viele Unternehmen ist das insbesondere bei großen Mengen an Archivdaten nicht wirtschaftlich.
Fehlende Systemunterstützung
Viele ältere Computersysteme und Server unterstützen keine NVMe-Protokolle. Wenn die Hardware Ihres Rechenzentrums nicht mit M.2-, U.2- oder E.1-Flash-Laufwerken kompatibel ist, ergibt NVMe keinen Sinn. Systeme zu entwickeln, die mit allen SSDs zusammenarbeiten, braucht Zeit, und NVMe ist ein relativ neues Protokoll.
Design und Kapazität
Viele beliebte NVMe-Laufwerke sind schlicht nicht für große Rechenzentren ausgelegt. Die viel erwähnten M.2-SSDs eignen sich eher für Gaming-Systeme und andere Verbraucheranwendungen oder für das IT-Team eines kleinen Start-ups. Für die Speicherung großer Datenmengen sind die beliebten NVMe-SSDs jedoch größtenteils nicht praktikabel. Die Speicherkapazität von M.2-Laufwerken reicht typischerweise von 400 GB bis 8 TB, wobei 8 TB die absolute Obergrenze darstellen und Laufwerke dieser Kapazität teuer sind.
Einige Anbieter stellen inzwischen speziell für Rechenzentren entwickelte Laufwerke her. Der Enterprise and Data Center Standard Form Factor (EDSFF) wurde eigens für den Einsatz in Unternehmen entwickelt. Laufwerke mit höherer Kapazität sind jedoch weiterhin teuer. Der Einsatz vieler NVMe-Laufwerke der Enterprise-Klasse reicht für die meisten Unternehmen von kostspielig bis schlichtweg undurchführbar.
NVMe-oF (NVMe over Fabrics)
NVMe over Fabrics ist ein relativ neues Protokoll, das NVMe-Geräte über ein Netzwerk verfügbar macht. Das ist für Rechenzentrumsumgebungen vorteilhaft, in denen Daten schnell zwischen Umgebungen verschoben werden müssen. Der Standard für NVMe-oF wurde erstmals 2016 veröffentlicht und ist noch keine weit verbreitete Rechenzentrumstechnologie.
Trotz aller Leistungsvorteile von NVMe hängt seine Geschwindigkeit von der direkten Verbindung mit einem einzelnen Host ab. Für gemeinsam genutzten Speicher ist ein Speichercontroller unverzichtbar; er verwaltet die Kapazitätsbereitstellung, einen Teil des Datenschutzes, die physische Adressierung und Protokollübersetzungen. Fügt man jedoch einen Speichercontroller hinzu, wird NVMe langsamer – und der Grund für die hohen Kosten entfällt.
NVMe-oF ist eine Lösung für dieses Problem. Die Spezifikation ermöglicht die Übertragung von NVMe-Nachrichtenbefehlen über Ethernet-, Fibre-Channel-(FC)- oder InfiniBand-Fabrics, ohne langsame Speichercontroller zu durchlaufen. Speicheradministratoren können die NVMe-SSD aus dem Server entfernen und über das Fabric verbinden. Remote-SSD-Speicherdienste arbeiten mit der Geschwindigkeit einer Speicher-zu-Speicher-Übertragung und extrem niedriger Latenz.
Die Spezifikation verwendet RDMA für InfiniBand, Converged Ethernet und Internet Wide Area. Für den Transport über Fibre Channel kommt eine andere Methode zum Einsatz.
Erfahren Sie mehr über die Ursprünge von NVMe over Fabrics.
NVMe-Geschwindigkeit im Vergleich zu anderen SSD-Typen
Diese Tabelle vergleicht die sequenziellen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von NVMe-basierten Laufwerken und SATA-Laufwerken. NVMe-basierte SSDs sind durchgehend schneller, doch die Geschwindigkeiten unterscheiden sich selbst zwischen diesen Laufwerken erheblich.
| Formfaktor/Spezifikation | Kapazität | Maximale sequenzielle Leserate | Maximale sequenzielle Schreibrate | |
|---|---|---|---|---|
| NVMe-basierte SSDs | ||||
| Samsung PM9A3 | U.2 | 3,84 TB | 6.900 MB/s | 4.100 MB/s |
| Kingston DC15000M | U.2 | 3,84 TB | 3.300 MB/s | 2.700 MB/s |
| Kioxia XD6 Series | E1.S | 3,84 TB | 6.500 MB/s | 2.350 MB/s |
| SATA-SSDs | ||||
| Kingston Technology DC450R | 2.5″ | 3,84 TB | 560 MB/s | 530 MB/s |
| Seagate Nytro 1361 | 2.5″ | 3,84 TB | 530 MB/s | 500 MB/s |
Die angegebenen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten werden vom Hardwareanbieter bereitgestellt und stellen unter idealen Bedingungen die bestmöglichen Werte dar. Beachten Sie, dass sie die alltägliche Leistung unter normalen Bedingungen im Rechenzentrum möglicherweise nicht genau widerspiegeln.
Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen NVMe und SATA.
Fazit: NVMe-Geschwindigkeit
NVMe-basierte SSDs sind für die schnelle Datenverarbeitung optimiert und bieten eine bessere Leistung als ihre Vorgänger. Für jeden Anwendungsfall im Speicherbereich sind sie jedoch nicht ideal. Je nach den Anforderungen Ihres Unternehmens ist eine NVMe-SSD möglicherweise nicht die richtige Wahl, wenn:
- Sie große Datenmengen speichern, auf die schnell zugegriffen werden muss.
- Sie nicht über das Budget für mehrere NVMe-Laufwerke verfügen.
- Sie Archivspeicher bereitstellen müssen.
Stellen Sie außerdem vor der Implementierung von NVMe-Speicher sicher, dass Ihre aktuelle Speicherhardware diesen unterstützt. Sie möchten nicht in eine Situation geraten, in der Speicherlösungen nicht miteinander funktionieren; das könnte die Skalierungsprozesse zu einem späteren Zeitpunkt ausbremsen.
Für kleinere Speichersysteme, die eine oder zwei kritische Anwendungen unterstützen, kann ein leistungsstarkes NVMe-Laufwerk gut geeignet sein. Bei der Datenspeicherung ist es nicht immer am besten, sofort dem neuesten Hype hinterherzulaufen. Bei sorgfältiger Abwägung und im richtigen Anwendungsfall kann sich NVMe-Speicher jedoch lohnen.
Erwägt Ihr Unternehmen eine neue SSD? Lesen Sie über die besten Solid-State-Laufwerke als Nächstes.
Dieser Artikel wurde im März 2023 von Jenna Phipps.