Wissenswertes zu M.2 SSDs

 

SSD-Speicher verbreiten sich schon seit längerem und verdrängen nach und nach mechanische HDDs. SSDs zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine beweglichen Teile beinhalten und dadurch Schreib- und Lesegeschwindigkeiten nicht von Umdrehungszahlen abhängen. Somit erreicht eine SSD viel höhere Geschwindigkeiten, wodurch auch der Computer schneller arbeiten kann. Bootzeiten werden enorm verkürzt und Programme starten schneller.
Wie mit fast jeder Technologie ist es auch hier der Fall, dass Preise im Laufe der Zeit sinken und SSDs immer mehr Absatz finden. Bislang wurden Übertragungsraten durch den SATA-3-Standard auf 600 MB/s bzw. 6 GBit/s limitiert. Diese Limitierung lässt sich jedoch umgehen, indem die SSD über eine PCI-Express-Schnittstelle angeschlossen wird. Solche Varianten gibt es schon länger, allerdings sind diese im Vergleich zu herkömmlichen SSDs recht teuer. Zudem sind PCI-Steckplätze überwiegend in Desktop-PCs zu finden, welche über reguläre Mainboards verfügen. Notebooks bleiben meist außen vor, wenn Hersteller keine eigenen Lösungen verbauen.

 

Vorteile von M.2

Um Platzprobleme zu lösen erfand Intel 2012 ein neues Format, das „Next Generation Form Factor (NGFF)“ oder kurz M.2 genannt wird. Dieses äußerst kompakte Modul ist so gebaut, dass Speicherkarten in diesem Format auch in Notebooks und mini-Desktops eingebaut werden können. Darüber hinaus ist es möglich eine solche SSD an bis zu 4 PCIe 3.0 Lanes anzuschließen wodurch Geschwindigkeiten von bis zu 32 GBit/s erreicht werden können.
Mit dem M.2 Anschluss werden aber nicht nur SSDs verbunden, dieser Steckplatz kann auch für WLAN- oder Bluetoothkarten verwendet werden. Über PCIe wird aber das Anschließen einer SSD oder Netzwerkkarte am interessantesten sein, da andere Varianten wie z.B. Bluetooth diese enorme Bandbreite nicht ausschöpfen können. Auf lange Sicht soll das M.2 Format 3,5“ HDDs und kleinere 2,5“ SSDs ablösen um schnellere Schnittstellen (PCIe) nutzen zu können und Platz zu sparen. Zudem unterstützt der M.2 Standard ein neues Datenprotokoll, genannt NVMe (Non-volatile Memory Express), das deutlich schneller als AHCI ist. Wichtig ist, das M.2 nur die Bezeichnung für die Anschlussform ist, aber nicht die jeweilige Schnittstelle definiert, da M.2 kompatibel mit SATA und PCIe ist.

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Wie zu erkennen ist legt die NVMe SSD eine sehr hohe Messlatte bezüglich den Lese- und Schreibgeschwindigkeiten. Die Schreibleistung einer HDD wurde um gut das zehnfache überboten, während die Leseraten mehr als 20-fache einer HDD betragen. Selbst eine herkömmliche SATA-SSD wird von der 960 Evo noch um ein Vielfaches in den Schatten Sgestellt. Die IOPS der HDD sind im Graphen nicht zu erkennen, da diese vergleichsweise so niedrig sind (liegen bei ca. 100), dass diese nicht sichtbar sind.
Mehr über IOPS und deren Bedeutung erfahren Sie im Folgenden.

IOPS wird als eine Art „Benchmark“ gehandelt um die Leistung einer Festplatte bzw. SSD zu analysieren. Die Abkürzung steht für Input/Output Operations Per Second. Dieser Leistungstest wird des Öfteren fälschlicherweise als Benchmark bezeichnet, da die IOPS-Zahlen, die der Hersteller angibt, in einem realen Szenario kaum aussagekräftig sind.

Um einen Speicher in eine Leistungskategorie einordnen zu können, müssen mindestens drei Faktoren in Betracht gezogen werden: Zugriffszeit, IOPS und Lese/Schreibrate. Der Faktor IOPS allein sagt nichts aus, weil andere Faktoren davon nicht zwingend abhängig sind. IOPS, kann man mit der Drehzahl eines Motors vergleichen. Die max. Drehzahl alleine gibt keine Informationen über Leistung und Drehmoment, sprich Zugriffszeit und Lese-/Schreibraten an. Vor allem bei SSDs ist die Anzahl der maximalen IOPS überwiegend vom Speichercontroller und dem Interface abhängig und nicht von der Umdrehungszahl der Speicherplatten wie bei einer HDD. Deswegen sollte der Schwerpunkt bei der Wahl des (Flash-)Speichers vor allem auf Lese- und Schreibraten gelegt werden. Bei HDDs sind diese Raten zwar meist von der Umdrehungszahl abhängig, jedoch spielt die Geschwindigkeit des Schreib-/Lesearms auch eine wesentliche Rolle.
IOPS werden in 4 verschiedenen Verfahren ermittelt:

• Random Read IOPS - Durchschnittliche Anzahl der I/O Leseoperationen pro Sekunde (Zufälliger Zugriff)
• Random Write IOPS - Durchschnittliche Anzahl der I/O Schreiboperationen pro Sekunde (Zufälliger Zugriff)
• Sequential Read IOPS – Durchschnittliche Anzahl der I/O Leseoperationen pro Sekunde (Sequentieller Zugriff)
• Sequential Write IOPS – Durchschnittliche Anzahl der I/O Schreiboperationen pro Sekunde (Sequentieller Zugriff)

 

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IOPS Vergleich versch. Speicher (HDD/SSD)

Gerät	Typ	IOPS	Schnittstelle
7200 rpm Drive	HDD	~75-100	SATA 6G
10000 rpm Drive	HDD	~125-150	Sata 6G
10000 rpm Drive	HDD	~140	SAS
15000 rpm Drive	HDD	~175-210	SAS
OCZ Vertex 3	SSD	~60.000	SATA 6G
Samsung 960 Evo	SSD	~360.000	PCIe 3.0 x4 (M.2)
Intel 750 (1.2 TB)	SSD	~460.000	PCIe 3.0 x4 (PCIe)

 

 

Formfaktoren von M.2 Karten 

M.2 SSDs gibt es in verschiedenen Größen. Die Steckkartenbreite mit 22mm ist bei jedem Speichermodul gleich, allerdings variieren Längen und damit auch Kapazitäten der M.2 Module. Der Formfaktor erlaubt Längen von 30, 42, 60, 80 und 110mm. Vertrieben werden aber zum Großteil nur 42, 60 und 80mm lange Versionen.
Die Breite wird zusammen mit dem Längenmaß als Codierung für den Formfaktor verwendet. Eine M.2 2280 ist folglich 22mm breit und 80mm lang. Wenn die vollständige Codierung also M.2 2260 PCIe 3.0 x4 NVMe lautet, handelt es sich um eine M.2 SSD, die 60mm lang ist, an eine vierfache PCI-Express 3.0 Schnittstelle angebunden werden kann und mit dem NVMe-Protokoll betrieben wird.
Die maximale Einbaulänge wird allerdings von dem Einsatzort vorgegeben. Desktop Mainboards unterstützen meistens alle drei Formfaktoren (2242, 2260, 2280). Notebooks und Mini-Barebones bieten meist nur Platz für 6cm lange M.2 Steckkarten, je nach Hersteller können aber auch 80mm lange Module eingebaut werden.
Neben dem Hersteller ist aber auch meist die Größe des Notebooks oder Barebones ein Faktor für die maximale Einbaugröße. Verfügt ein Notebook mit 15 oder mehr Zoll über einen M.2 Anschluss kann man davon ausgehen, dass Steckkarten mit 80mm Länge Platz finden werden. Kürzer als die maximale Einbaulänge kann eine M.2 Karte immer sein. Es besteht lediglich die Möglichkeit, dass die Befestigung über die Arretierschraube nicht für eine kürzere Steckkarte vorgesehen ist.
In speziellen Anwendungsfällen ist auch die Dicke der M.2 Karte entscheidend. Wenn eine solche Karte in ein extrem enges Gehäuse eingebaut werden muss, sollte darauf geachtet werden, dass das Modul nur einseitig (S1, S2, S3) mit Speicherchips bestückt ist. Sollten Speicherchips beidseitig (D1, D2, D3) angelötet sein, kann es durchaus zu Platzproblemen kommen. Für den Consumer ist die Dicke der M.2 Steckkarte jedoch recht irrelevant, da die Dicken meist nur um maximal 3mm variieren.

 

Verschiedene M.2 Keys

Abhängig von der angebundenen Schnittstelle ist die Steckerart (auch genannt „Key“) des M.2 Moduls. Jeder Key hat gleich viele Pins, 75 an der Zahl, allerdings gibt es Unterschiede bei den Aussparungen zwischen den Keys. In der Praxis wird überwiegend der M-Key verwendet, da dieser die Bandbreite einer PCIe 3.0 x4 Schnittstelle mit 32GBit/s voll ausschöpfen kann. Der B-Key ist auch relativ häufig vertreten, jedoch kann dieser nur die Geschwindigkeiten einer SATA- bzw. PCIe x2-Schnittstelle ausschöpfen.
Viele M.2 Steckkarten werden mit einem M+B-Key ausgestattet. Dieser ermöglicht die Kompatibilität beider Schnittstellen mit vollen Geschwindigkeiten.