PCIe-SSD: Höhere Geschwindigkeit, bessere Leistung

PCIe-SSDs – Solid-State-Laufwerke, die über den Standard Peripheral Component Interconnect Express, kurz PCIe, mit Computer-Motherboards verbunden werden – bieten höhere Geschwindigkeiten als Laufwerke mit herkömmlichen Serial-AT-Attachment-Schnittstellen (SATA). Diese Verbindungsstandards ermöglichen es Computern, die höhere Leistung von SSDs gegenüber mechanischen Festplatten optimal zu nutzen. Hier ein genauerer Blick darauf, wie sie funktionieren.

Was ist PCIe?

PCIe ist ein weit verbreiteter Standard, über den Peripheriegeräte und Komponenten – darunter Solid-State-Laufwerke – mit der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) eines Computers kommunizieren können. Die neueste Version, PCIe 6.0, bietet die bisher beste Leistung. Obwohl sie noch nicht weit verbreitet ist, soll sie die steigende Nachfrage nach schnellerer und effizienterer Datenspeicherung und -übertragung erfüllen, indem sie die Latenz reduziert, Geschwindigkeit und Bandbreite verdoppelt sowie Start- und Verarbeitungszeiten verkürzt.

Hochleistungs-Motherboards verfügen über PCIe-Steckplätze, die zum Hinzufügen von Peripheriegeräten, darunter SSDs, verwendet werden können. PCIe-Steckplätze gibt es in unterschiedlichen physischen Ausführungen, die von der Anzahl der „Lanes“ abhängen, über die Daten übertragen werden:

• PCIe x1 ist der kleinste PCIe-Steckplatz. Er nutzt eine einzige Lane für die Datenübertragung und wird typischerweise für USB-Erweiterungskarten, einfache Netzwerkadapter und andere Karten verwendet.
• PCIe x4 nutzt vier Lanes und wird häufig für Hochgeschwindigkeits-Netzwerkadapter und SSD-Erweiterungskarten verwendet. Diese passen in PCIe-x16-Steckplätze.
• PCIe x8 nutzt acht Lanes und wird typischerweise für Grafikkarten oder SSD-Erweiterungskarten verwendet. Diese passen ebenfalls in PCIe-x16-Steckplätze.
• PCIe x16 sind die größten Steckplätze mit 16 Lanes und werden für Peripheriegeräte mit hoher Bandbreite verwendet. 

PCIe-Steckplätze bestehen aus zwei Aspekten: der mechanischen Ausführung der Karten und der elektrischen Ausführung (Lanes). In der Praxis bedeutet das, dass ein Steckplatz mechanisch als x16 ausgelegt sein kann, elektrisch aber nur x8. Obwohl er physisch 16 PCIe-Karten aufnehmen kann, unterstützt er nur acht Lanes, was zu einer geringeren Leistung führt.

PCI vs. PCIe

PCI ist ein deutlich älterer Standard, der PCIe vorausging. PCI-Steckplätze sind im Allgemeinen länger als PCIe-Steckplätze, arbeiten aber mit deutlich geringerer Geschwindigkeit. Beim PCI-Standard teilen sich alle Geräte denselben parallelen Bus, während die interne PCIe-Architektur eher einem lokalen Netzwerk ähnelt, bei dem jede Verbindung mit einem zentralen Switch im Computer verbunden ist. 

Selbst die langsamste PCIe-Version ist deutlich schneller als die maximale PCI-Bandbreite von 532 MB/s. Neben der Geschwindigkeit bietet PCIe auch eine fortschrittliche Fehlererkennung und -meldung sowie die Möglichkeit, Geräte im laufenden Betrieb auszutauschen, sodass sie eingesetzt und erkannt werden können, ohne das System neu starten zu müssen.

PCIe- vs. SATA-Solid-State-Laufwerke

Beim Kauf von SSDs fällt die Wahl häufig zwischen PCIe und SATA. Der entscheidende Vorteil von PCIe ist der enorme Leistungszuwachs gegenüber SATA-Laufwerken – insbesondere seit dem Aufkommen von PCIe-Solid-State-Laufwerken mit Non-Volatile Memory Express (NVMe), die noch schneller sind. NVMe ist eine Spezifikation für eine Host-Controller-Schnittstelle, die den PCIe-Bus nutzt, um SSDs mit Computern zu verbinden, die Geschwindigkeit zu erhöhen und die Latenz zu reduzieren.

SATA-Laufwerke kosten weniger als PCIe-SSDs und bieten für bestimmte Einsatzszenarien einige weitere Vorteile:

• Kompatibilität: Da SATA älter ist, ist es deutlich weiter verbreitet. SATA-SSDs sind mit älteren Systemen wahrscheinlich kompatibler als PCIe-SSDs.
• Effizienz: SATA ist außerdem weniger komplex, wodurch der Energieverbrauch wahrscheinlich geringer ist. Das kann sich auf die Akkulaufzeit von Laptops und auf große Rechenzentren auswirken, in denen Strom- und Kühlkosten beträchtlich sein können.
• AHCI: SATA-SSDs können in ein System eingesetzt und daraus entfernt werden, während es läuft, sofern das System die Advanced Host Controller Interface (AHCI) verwendet, die häufig im System-BIOS aktiviert werden kann. PCIe-SSDs lassen sich standardmäßig im laufenden Betrieb austauschen.

Mehr über PCIe-NVMe im Vergleich zu anderen SSDs erfahren.

Formfaktoren von PCIe-SSDs

PCIe-SSDs gibt es in verschiedenen Formen und Größen, darunter:

• Zusatz- oder Erweiterungskarten. Die häufigste Form von PCIe-SSDs kann in PCIe-Erweiterungssteckplätze des Motherboards eingesetzt werden und bietet hohe Speicherkapazitäten sowie die Möglichkeit, mehrere Flash-Speichermodule zu unterstützen. 
• M.2. Dieses kompakte, vielseitige Format hat in den vergangenen Jahren an Popularität gewonnen. Diese Karten sind etwa so groß wie ein Kaugummistreifen und werden über einen M.2-Steckplatz direkt mit dem Motherboard verbunden, wodurch sich die Anzahl der Kabel und das Durcheinander im Hardware-Umfeld reduzieren. M.2-Karten finden sich häufig in Laptops und kleineren Desktop-Modellen. M.2-SSD-Karten können verschiedene PCIe-Generationen unterstützen.
• U.2. Diese 2,5-Zoll-Karte war zuvor unter der Bezeichnung SFF-8639 bekannt und ist mit PCIe- und SATA-Schnittstellen kompatibel. U.2 bietet eine größere Speicherkapazität als M.2-Laufwerke und wird unter anderem in Speicher systemen für Unternehmen und leistungsstarken Desktop-Computern eingesetzt, die hohe Leistung erfordern.
• Full Height/Half Length (FHHL). Dieses Format hat eine geringere Höhe und Länge, damit es in Bereiche passt, in die größere Karten nicht passen, etwa in Blade-Server, kompakte Workstations und eingebettete Systeme.

PCIe-Versionen

PCIe 6.0 wurde im Januar 2022 veröffentlicht, ist aber noch nicht weit verbreitet und setzt mit 64 GT/s pro Lane einen neuen Maßstab für Datenübertragungsraten – der doppelten Kapazität von PCIe 5.0. Der Geschwindigkeitssprung bedeutet, dass PCIe 6.0 eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Technologien für autonome Fahrzeuge, Edge Computing und fortschrittliche Algorithmen des maschinellen Lernens spielen wird, die für unzählige Anwendungen, Systeme und Prozesse unverzichtbar sind. 

PCIe 6.0 maximiert den Datendurchsatz durch die Verwendung der Pulsamplitudenmodulation (PAM4) zur Kodierung, wodurch sich Datendichte und Effizienz erhöhen. Zu den weiteren Vorteilen gehören:

• Verbesserte Skalierbarkeit. PCIe 6.0 unterstützt bis zu 256 Lanes und erweitert damit die Möglichkeiten zur Skalierung selbst in Umgebungen mit enormen Datenmengen erheblich.
• Höhere Energieeffizienz. Diese PCIe-Version umfasst neue Energiesparfunktionen, darunter L1-Substates, die in Ruhephasen zusätzliche Energieeinsparungen ermöglichen. Tragbare Geräte profitieren besonders von dieser Verbesserung.
• Abwärtskompatibilität. PCIe 6.0 ist abwärtskompatibel mit früheren Generationen und verbessert dadurch die Integration in bestehende Systeme.
• Forward Error Correction. Diese Algorithmen können Übertragungsfehler erkennen und tatsächlich korrigieren.
• Hochgeschwindigkeitsverbindungen. Die höhere mit PCIe 6.0 verfügbare Bandbreite verbessert die Vernetzung zwischen SSDs, GPUs, NICs und vielen anderen Geräten.

PCIe 5.0 ist zwar nicht so schnell wie 6.0, bietet bei den Datenübertragungsraten aber deutlich mehr als frühere Generationen. Mit einer Bandbreite von 32 GT/s pro Lane verdoppelt PCIe 5.0 den Datendurchsatz gegenüber PCIe 4.0 und PCIe 3.0, die beide noch weit verbreitet sind, effektiv.

PCIe 5.0 bietet erhebliche technologische Fortschritte und unterstützt Anwendungen wie die 8K-Videoverarbeitung in Echtzeit, komplexe Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) und immersive virtuelle Realität (VR). Es wird häufig in Rechenzentren, wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und anderen Bereichen eingesetzt, in denen Hochleistungsrechnen erforderlich ist. Weitere Vorteile sind.

• Abwärtskompatibilität. PCIe 5.0 ist abwärtskompatibel mit früheren PCIe-Versionen.
• Energieeffizienz. PCIe 5.0 verwendet L1-Substates, die in Ruhephasen Energie einsparen können, was insbesondere für tragbare Geräte von Vorteil ist.
• Weite Verbreitung. PCIe 5.0 wird inzwischen in vielen Branchen eingesetzt, wobei sich in den vergangenen Jahren große Technologieunternehmen angeschlossen haben.

PCIe 7.0 soll 2025 auf den Markt kommen.

Mehr über PCIe 5.0 erfahren.

Fazit: PCIe-Solid-State-Laufwerke

Solid-State-Laufwerke bieten eine bessere Leistung als herkömmlichere mechanische Festplatten, und Laufwerke nach dem PCIe-Standard sind schneller als ihre Gegenstücke nach dem SATA-Standard. Die neuesten PCIe-SSDs, die von der NVMe-Technologie profitieren, sind sogar noch schneller. Diese höhere Leistung ist zwar mit höheren Kosten verbunden und kann Kompromisse bei Kompatibilität und Energieeffizienz erfordern, doch Käufer, die Systeme mit den schnellsten verfügbaren Geschwindigkeiten aufbauen oder aktualisieren möchten, sollten die PCIe-Technologie nutzen.

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