Die SSD-Revolution: Von SATA zu M.2, von AHCI zu NVMe

Überblick

Seit die ersten ernstzunehmenden SSDs auf den Markt kamen, ist die SATA-Schnittstelle der De-facto-Standard, der von vielen Konsumenten mit der SSD-Technologie verbunden wird. Mit immer schneller werdenden Laufwerken stieg auch der Anspruch an die Schnittstelle, welche SSD und Computer verbindet. War SATA I (1,5 GBit/s) eingangs mehr als ausreichend, reizte die nächste Generation von Solid State Drives bereits SATA Generation 2 (3 GBit/s) teils vollständig aus. Mit stärkerer Verbreitung von SATA III (6 GBit/s)-Anschlüssen auf Mainboards schwenkte beinahe die gesamte SSD-Industrie auf die aktuelle SATA III-Spezifikation um. Auch hier war vor wenigen Jahren bereits das Ende der Fahnenstange erreicht. Als modernes Laufwerk mit SATA 6 GBit/s ist zum Beispiel die Samsung SSD 850 PRO Serie anzuführen.

Parallel dazu gab es schon immer SSDs, die sich direkt per PCI Express-Schnittstelle als Erweiterungskarte neben Grafikkarte und Co unterbringen ließen. Diese Laufwerke waren aufgrund der direkten Anbindung teils sehr viel schneller als ihre SATA-Konkurrenten, kosteten dafür aber auch mit Leichtigkeit das Fünf- bis Zehnfache und blieben somit für die meisten Endanwender absolut uninteressant.

Die Samsung SSD 850 EVO als M.2-Variante (Intern per SATA angebunden).

Eine echte Alternative wurde mit der neuen Laufwerksgeneration an M.2-SSDs geschaffen, die die kompakte Bauweise von SATA-SSDs mit der Geschwindigkeit von PCIe verbinden. Im Folgenden wollen wir genauer auf die in diesem kurzen Überblick genannten Schnittstellen und Spezifikationen eingehen.

Schnittstellen, Protokolle und Spezifikationen

Wer sich als Laie das erste Mal mit SSDs auseinandersetzt, der läuft Gefahr, sich schnell im Begriffsdschungel der modernen Massenspeichertechnologie zu verlaufen.  Aber keine Angst, wir wollen versuchen, gemeinsam etwas Licht ins Dunkel zu bringen.

Zuallererst müssen drei verschiedenen Dinge grundlegend voneinander getrennt werden: Schnittstellen, Protokolle und Spezifikationen. Schnittstellen stellen im Kontext dieses Artikels den physikalischen Verbinder zwischen Laufwerk und Mainboard da. Anders gesagt: Schnittstellen beschreiben die Form des Anschlusssteckers zur Datenübertragung. Protokolle hingegen definieren auf genau bestimmte Art und Weise, wie SSD und Computer miteinander kommunizieren. Einfach gesagt: Das Protokoll stellt die Kommunikationsgrundlage für beide Geräte dar. Spezifikationen (oder auch Standards) sind formale Beschreibungen einer Schnittstelle oder eines Protokolls oder aber eine Kombination aus beidem, auf die sich innerhalb der Industrie geeinigt wurde, damit Geräte verschiedener Hersteller untereinander kompatibel sind.

Mit den genannten Definitionen im Hinterkopf, wollen wir uns zuerst die Schnittstellen genauer anschauen. (Es sei darauf hingewiesen, dass sich an den verschiedensten Stellen im Netz unterschiedliche Deutungen der genannten Begrifflichkeiten finden. Wir wollen die obigen Definitionen lediglich als gemeinsame Verständnisgrundlage für diesen Artikel verwenden und erheben selbstverständlich keinen Anspruch auf Allgemeingültigkeit.)

SATA

Die SATA-Schnittstelle ist wohl das prominenteste Beispiel, welches den meisten Anwendern bekannt sein dürfte. Der SATA-Stecker ist schon seit Anfang der 2000er erhältlich und kann somit auf eine lange Zeit der Weiterentwicklung und Verbesserung zurückblicken. Für die ersten SSDs im 2,5-Zoll-Format war SATA quasi prädestiniert, da die Mehrleistung gegenüber Festplatten sowie die kompakte Bauform für flache und kleine Laufwerke genutzt werden konnte.

Die Samsung SSD 850 EVO mit 4 TB und SATA-Schnittstelle (SATA 6 GBit/s).

Der SATA-Stecker kann Signale mit den SATA-Spezifikationen 1,5 GBit/s, 3 GBit/s sowie 6 GBit/s übertragen.

mSATA

Ist eine Steckervariante des normalen SATA-Steckers, jedoch für den Einsatz in mobilen Geräten, um beispielsweise Erweiterungskarten in flachen Notebooks unterzubringen. Vor allem in den ersten Ultrabook-Generationen kam mSATA zum Einsatz, da normale 2,5-Zoll-SSDs zu groß waren, um sie in den flachen Gehäusen der schlanken Notebooks unterzubringen.

Die Samsung SSD 850 EVO als mSATA-Variante.

Bei der Datenübertragung greift mSATA ebenfalls auf die drei bekannten SATA-Spezifikationen zurück.

M.2 (Next Generation Form Factor – NGFF)

Als Nachfolger von mSATA wurde die M.2-Schnittstelle entwickelt. Dabei handelt es sich um einen auf den ersten Blick zu mSATA optisch ähnlichen Anschluss. Im Gegensatz zu mSATA wurde M.2 jedoch konzipiert, um einer großen Bandbreite an Gerätetypen als Schnittstelle dienen zu können.

M.2 ist daher in der Lage, Daten sowohl per SATA-Spezifikation (meist 6 GBit/s), als auch über USB 2.0, USB 3.0 oder aber bis zu PCIe 3.0 mit vier Lanes (x4) zu übertragen. Diese Tatsache macht die M.2-Schnittstelle für den Ottonormalverbraucher ein wenig undurchsichtig, da SSDs mit M.2-Schnittstelle nicht zwingend per PCIe angebunden sein müssen, sondern genauso auf den SATA-Standard setzen können und damit genau so schnell sind, wie ihre Geschwister im 2,5-Zoll-Gehäuse mit SATA-Schnittstelle. Als Beispiel ist hier die bekannte Samsung SSD 850 EVO zu nennen, welche es sowohl mit SATA-Schnittstelle im 2,5-Zoll-Format, als auch als M.2-Modul mit interner SATA-Anbindung zu kaufen gibt. Letztendlich unterscheiden sich die Varianten nur in ihrer Bauform, nicht jedoch in ihrer Leistung.

Die Samsung SSD 960 PRO mit M.2-Schnittstelle.

Hingegen wird die neue Samsung SSD 960 PRO ebenfalls per M.2-Schnittstelle mit dem Computer verbunden, intern kommunizieren SSD und CPU jedoch direkt über das sehr viel schnellere PCIe 3.0 Interface, was in deutlich höheren Transferraten von bis zu 3500 MB/s (lesend) resultiert.

Das alte Kredo: Neue Schnittstelle = neuer Stecker = schneller Übertragung, gilt bei multifunktionalen Schnittstellen wie M.2 somit nicht mehr.

Um unser kleine Theoriestunde abzurunden, müssen wir uns abschließend noch kurz den Protokollen in der Massenspeichertechnik widmen. Hier war von Beginn der SSD-Technologie in der breiten Masse das AHCI-Protokoll vorherrschend.

AHCI (Advanced Host Controller Interface)

AHCI wurde ursprünglich dazu entwickelt, um die zuvor speziellen benötigten Treiber für SATA-Speichergerät zu ersetzen. Statt für jeden SATA-Hostcontroller speziellen Treiber installieren zu müssen, konnten AHCI-kompatible Speichercontroller und Speichergeräte direkt miteinander kommunizieren, ohne das ein besonderer Treiber benötigt wurde. Zusätzlich kann das AHCI-Protokoll mit dem sogenannten NCQ (Native Command Queuing) umgehen, welches es ermöglicht, an den angeschlossenen Massenspeicher gerichtete Befehle in der Warteschlange so umzusortieren, dass diese möglichst schnell abgearbeitet werden können.

NVMe (Non Volatile Memory Express)

Da AHCI bei seiner Schaffung vollständig auf herkömmliche Festplatten ausgerichtet war, die Befehle üblicherweise sequenzielle (also nacheinander) abarbeiten, kam 2011 das NVMe-Protokoll auf den Markt. Ziel war es erneut, Laufwerke ohne besondere Treiber betreiben zu können, dieses Mal aber mit Fokus auf SSDs und PCI Express (daher auch der Name).

Die Vorteile auf einen Blick

Während bei AHCI-SSDs die CPU des Computers mit dem Hostcotroller kommuniziert, welcher dann wiederum die SSD anspricht, können NVMe SSDs direkt mit der CPU kommunizieren. Damit ergeben sich neben einem extrem gesteigerten Datendurchsatz auch ganz neue Möglichkeiten in Bezug auf die parallelisierte Abarbeitung von Befehlen. Bei Verwendung des üblichen AHCI-Protokolls gibt es nur eine (1) Warteschlange, die maximal 32 Befehle enthalten kann. Mit NVMe wird die Anzahl der gleichzeitig bearbeitbaren Warteschlangen auf 65536 erhöht und auch die Anzahl der Befehle pro Warteschlange wächst auf 65536. Damit ist NVMe bestens für den immer schneller werdenden Flashspeicher geeignet, der die SATA-Spezifikation bereits an seine Leistungsgrenze gebracht hat.

Die Samsung SSD 960 EVO kann auf das schnelle NVMe-Protokoll zurückgreifen.

Diese Vorteile spiegeln sich direkt in der Leistung moderner NVMe-SSDs, wie der Samsung SSD 960 EVO mit M.2-Schnittstelle, wider.

Zusammenfassung

Bei der physikalischen Entwicklung von der SATA-Schnittstelle hin zu M.2 gewinnt der Anwender neben einer kompakteren Bauform vor allem Flexibilität, da M.2 mit SATA und PCIe gleichermaßen umgehen kann.

In Sachen Protokoll werden reine SATA-SSDs (bis Revision 3.0 = 6 Gbit/s) auch weiterhin auf AHCI setzen, da die SATA-Spezifikation hier den Flaschenhals darstellt. Laufwerke mit M.2-Schnittstelle werden im höheren Leistungssegment fast ausschließlich über PCIe und somit über NVMe angebunden werden. Samsung macht es mit seinen Laufwerken der Samsung SSD 960 EVO und SSD 960 PRO Serie vor. Die Vorteile von NVMe gegenüber AHCI liegen klar auf der Hand: deutlich höhere Übertragungsraten und starke Vorteile bei parallelen Anfragen von der CPU an den SSD-Massenspeicher. Wer beste Leistung will, greift deshalb bereits heute zu einer PCIe-SSD mit NVMe-Unterstützung.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass mit der SATA-Spezifikation 3.2 auch eine Weiterentwicklung von SATA stattgefunden hat. Unter dem Begriff SATA Express (SATAe) stehen, abhängig von der Ausprägung, 8 oder 16 GBit/s bereit. Dabei erfolgt die Anbindung ebenfalls über PCIe und es wird NVMe genutzt. SSDs mit SATAe-Schnittstelle sind zurzeit jedoch noch selten und eher im professionellen Bereich anzutreffen.

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Nils Waldmann

...ist seit über 17 Jahren bei Allround-PC.com und als Redakteur und technischer Leiter tätig. In seiner Freizeit bastelt und konstruiert Nils gerne flugfähige Modelle und ist mit der Drohne unterwegs.

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