Nicht nur die Größe zählt oder was uns das neue NVMe-Protokoll gebracht hat.

Eine bekannte Geschichte. Sobald leistungsstärkere Computer erscheinen, sobald die Leistungsfähigkeit der Prozessoren und die Kapazität der Speichermedien steigen, und der Benutzer erleichtert aufatmet - "Jetzt reicht es mir für alles, ich muss nicht sparen", erscheinen fast sofort neue Bedürfnisse, die immer mehr Ressourcen beanspruchen, neue Software, die sich ebenfalls "in nichts zurückhält". Ein ewiges Problem. Ein unendlicher Kreislauf. Und eine endlose Suche nach neuen Lösungen. Cloud-Speicher, neuronale Netze, künstliche Intelligenz - es ist schwer vorstellbar, welche gigantischen Leistungen diese Technologien erfordern. Doch lass uns nicht entmutigen, denn für jede Aufgabe findet sich früher oder später eine Lösung.

Eine solcher Lösungen ist das Protokoll NVM-Express, das, wie Fachleute sagen, eine Revolution bei der Nutzung von Flash-Speicher ausgelöst hat. Was genau ist NVMe und welche Vorteile bringt es mit sich?

Die Geschwindigkeit eines Computers hängt maßgeblich von der Schnelligkeit ab, mit der Daten von den Speichermedien gelesen und Befehle verarbeitet werden. Wie leistungsstark auch immer das Betriebssystem insgesamt sein mag, alles kann durch eine herkömmliche Festplatte zunichtegemacht werden, die Programme beim Öffnen verzögert oder sie "nachdenken" lässt, wenn umfangreiche Aufgaben ausgeführt werden. Ganz zu schweigen davon, dass HDDs praktisch ihr Potenzial zur Speicherkapazität erschöpft haben und aus diesem Grund perspektivlos wurden. Und mechanische Platten sind umso mehr veraltet und haben die Entwicklung der Computertechnologie verlangsamt.

Und so kamen die SSDs - solide Zustandsdatenträger, nicht-mechanische, energieunabhängige Speichermedien. Die ersten SSDs tauchten in der zweiten Hälfte der 2000er Jahre auf dem Markt auf. Schon bald begannen sie, mit Festplatten in Bezug auf das Volumen zu konkurrieren. Aber um ihr Potenzial und ihre Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit und Parallelität der Zugriffe auf die Zellen vollständig auszuschöpfen, konnten sie lange Zeit nicht, da die bestehenden Schnittstellen und Protokolle nach alten Standards aufgebaut waren, die darauf abzielten, HDDs über die SATA-Interfaces und noch ältere SCSI (SAS) zu unterstützen. 

Der nächste Schritt zur Ausschöpfung des Potenzials von energieunabhängigem Speicher war der Übergang zu PCI-Express-Bussen. Zu diesem Zeitpunkt waren jedoch noch keine neuen industriellen Standards entwickelt worden. Und so wurden im Jahr 2012 die ersten Computer veröffentlicht, in denen das NVM-Express-Protokoll implementiert ist.

Es ist sofort zu beachten, dass NVMe kein Gerät und kein Anschlussinterface ist. Es handelt sich um ein Protokoll, genauer gesagt um eine Spezifikation für den Datenaustausch.

Daher ist der Begriff „NVMe-Speicher“ nicht ganz korrekt, und der Vergleich „HDD – SSD – NVMe“ ist absolut falsch und führt den Benutzer, der sich gerade mit dem Thema vertraut macht, in die Irre. Es ist korrekt, HDD mit SSD auf der einen Seite zu vergleichen, und SSD, die über das SATA-Interface (nach dem AHCI-Protokoll) verbunden ist, mit SSD, die über den PCI-Express-Bus unter Verwendung des NVM-Express-Protokolls angeschlossen ist, auf der anderen Seite. Ein Vergleich von HDD mit SSD ist wahrscheinlich schon für viele nicht mehr interessant. Alle verstehen den Unterschied, und die Vorteile letzterer sind allgemein bekannt. Man sollte jedoch einige (sehr auffällige) Vorteile hervorheben. Im Vergleich zu Festplatten haben Solid-State-Laufwerke ein kleineres Format und Gewicht, arbeiten geräuschlos, und die vollständige Abwesenheit mechanischer Antriebe macht sie um ein Vielfaches widerstandsfähiger gegenüber Beschädigungen (z. B. bei Stürzen) und erhöht einfach die Lebensdauer.

Der Vergleich der Möglichkeiten von SSD mit dem alten Bus und altem Protokoll und SSD auf dem PCIe-Bus mit dem NVMe-Protokoll ist ohne Zweifel von wesentlich größerem Interesse und wird für alle nützlich sein, die daran gewöhnt sind, über Neuheiten informiert zu bleiben, für diejenigen, die vorhaben, einen neuen Computer zu kaufen, und selbst für diejenigen, die beispielsweise nach dem besten Hosting suchen.

Die SATA-Schnittstelle wurde, wie bereits erwähnt, für Festplatten entwickelt, deren Kopf physisch nur auf eine einzige Zelle gleichzeitig zugreifen kann. Es ist also kein Wunder, dass SATA-Geräte nur einen Kanal haben. Für SSDs ist das äußerst problematisch, da ein Vorteil dieser Geräte die Unterstützung paralleler Datenströme ist. Der SSD-Controller verwaltet auch die anfängliche Positionierung, was ein weiteres wesentliche Vorteil darstellt. Der PCI-Express-Bus ermöglicht einen Mehrkanalbetrieb, und das NVMe-Protokoll setzt diesen Vorteil um. Infolgedessen werden die auf Solid State Drives gespeicherten Daten über 65.536 parallele Steuerwarteschlangen übertragen, von denen jede gleichzeitig mehr als 65.536 Befehle enthalten kann. Zum Vergleich: SATA und SCSI können nur eine Warteschlange verwenden, die maximal 32 bzw. 254 Befehle unterstützt. 

Darüber hinaus erfordern ältere Schnittstellen für die Ausführung jedes Befehls zwei Zugriffe auf den Arbeitsspeicher, während NVMe dies in nur einem Zugriff schafft. 

Ein dritter wesentlicher Vorteil ist der Umgang mit Interrupts. Das NVMe-Protokoll wurde für moderne Plattformen mit Multicore-Prozessoren entwickelt. Daher sind Parallelen bei der Verarbeitung von Streams sowie ein optimierter Mechanismus zur Arbeit mit Warteschlangen und Interrupts eingebaut, was eine höhere Leistung gewährleistet. Mit anderen Worten: Wenn ein Befehl mit höherer Priorität eintrifft, beginnt seine Ausführung schneller.

Zahlreiche Tests, die von verschiedenen Organisationen und Experten durchgeführt wurden, belegen, dass die Geschwindigkeit von NVMe-SSDs im Durchschnitt fünfmal höher ist als bei der Verbindung von SSDs über ältere Schnittstellen.

Jetzt zur Frage, ob SSDs mit PCIe, die das NVMe-Protokoll verwenden, für jedermann zugänglich sind. Es geht dabei nicht nur um die Kosten. Diese Implementierung ist derzeit deutlich teurer, obwohl die Preise für Computerkomponenten bekanntlich zu Beginn des Verkaufs hoch sind und tendenziell relativ schnell sinken. 

Es handelt sich um Konstruktionslösungen, die in der Fachsprache als „Formfaktor“bezeichnet werden. Mit anderen Worten, in welcher Form die Komponenten von den Herstellern ausgegeben werden. Momentan gibt es auf dem Markt drei Formfaktoren..

Erster So nennt man „NVMe SSD“. Es handelt sich um eine Erweiterungskarte, die in denselben Slots wie die Grafikkarte eingesteckt wird. Für Laptops ist diese nicht geeignet. Genauso wenig für viele Desktop-Computer, da immer mehr von ihnen auf kompakten Motherboards aufgebaut werden, wo die PCIe-Slots meistens nur zwei oder sogar nur einen haben (der normalerweise von der Grafikkarte belegt ist).

Der zweite Formfaktor — U2. Äußerlich ähnelt er einer normalen Festplatte, ist jedoch viel kleiner. U2 wird normalerweise auf Servern verwendet, daher ist es für den normalen Benutzer wahrscheinlich nicht sinnvoll, ihn zu erwerben.

Der dritte — M2. Dies ist der am schnellsten wachsende Formfaktor. Er wird aktiv in Laptops verwendet und seit kurzem auch auf einigen Motherboards für Desktop-PCs implementiert. Wenn Sie sich jedoch eine M2 zulegen möchten, sollten Sie sehr vorsichtig sein, da in diesem Formfaktor immer noch SATA SSDs hergestellt werden.

Sie sollten auch bei der Bewertung der Sinnhaftigkeit des Erwerbs eines der genannten Formfaktoren aufmerksam sein. Zuerst sollten Sie prüfen, ob Ihr Laptop oder das Motherboard Ihres PCs die benötigten Slots hat. Und selbst wenn diese vorhanden sind, ist der Prozessor Ihres Computers stark genug, denn ein schwacher Prozessor wird Ihnen trotzdem nicht ermöglichen, die Vorteile von SSDs zu spüren. Wenn Sie all dies haben und zudem häufig mit großen Datenmengen arbeiten, ist NVMe SSD auf jeden Fall das, was Sie benötigen.

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Quelle: habr.com