SSD-Schnittstellen – Die Unterschiede erklärt

 

Die Einführung von SSDs (Solid State Drive) war maßgeblich für die Weiterentwicklung von Schnittstellen und Übertragungsprotokollen. Die SATA-Schnittstellen konnten mit den enormen Geschwindigkeitssteigerungen der SSDs teilweise nicht mehr mithalten, wodurch das Bedürfnis nach einer neuen Schnittstelle und einem besseren Speicherprotokoll wuchs.
Bis zu diesem Zeitpunkt waren Schnittstellen bezüglich der Übertragungsgeschwindigkeiten immer den jeweiligen Festplatten angepasst (EIDE, SATA, SCSI). Durch den Wechsel auf eine neue Speichertechnologie (Flash-Speicher) war die Anpassung der Schnittstelle alleine nicht mehr ausreichend. Es musste auch ein neues Speicherprotokoll verwendet werden, da Flash-Speicher intern ganz anders arbeiten, als mechanische Festplatten.
Zunächst stellt sich aber die Frage, welche Übertragungstechnik zusammen mit Ihrer SSD verwendet werden soll. SATA-6G, SATA-Express oder PCIe können zusammen mit SSDs verwendet werden, berücksichtigt werden muss aber, welche Art von Anschluss in Ihrem Computer verfügbar ist.

 

SATA-6G

SATA-6G (auch genannt SATA 3) ist eine der am häufigsten genutzten Speicherschnittstellen für Festplatten. Die erste Generation dieses Anschlusses wurde 2001 ins Leben gerufen, allerdings dauerte es noch weitere drei Jahre, bis sich der Speichercontroller für SATA-Massenspeicher auf Mainboards verbreitete und etabliert hatte. Die erste Generation von SATA ließ Datenraten von 1,5 GBit/s zu, was einer Nettodatenrate von 150 MB/s entspricht. Die zweite und dritte Generation der seriellen Schnittstelle verdoppelte jeweils die Geschwindigkeiten ihres Vorgängers. Somit entwickelten sich die Geschwindigkeiten von SATA 3 auf bis zu 6 GBit/s bzw. 600MB/s.
Grundsätzlich eignet sich SATA 3 auch zur Verwendung mit SSDs, allerdings sind die Übertragungsraten auf die maximalen 600 MB/s begrenzt. Aktuell ist diese Bandbreite für herkömmliche 2,5“ SSDs noch ausreichend, sobald sie aber einen schnelleren Flash-Speicher betreiben wollen müssen Sie auf eine PCIe- oder SATAe-Schnittstelle wechseln. Da SATA-Express allerdings im Desktop-Bereich kaum genutzt wird ist PCIe die einzige Alternative von Relevanz.

 

SAS

SAS steht für Serial Attached SCSI und ist eine Massenspeicherschnittstelle, die SCSI Signale über ein serielles Interface transportiert. SAS ähnelt der SATA-Schnittstelle, wobei die Datenraten der aktuellen Generation denen von SATA 3 um ein doppeltes überliegen. Somit überträgt SAS 3 bzw. SAS 12G bis zu 12 GBit/s, was einer Nettodatenrate von 1200 MB/s entspricht.
Diese Übertragungsraten sind nur möglich, da die Schnittstelle von einer parallelen auf eine Serielle umgewandelt wurde. Als Konkurrenz besteht zwar noch Fibre Channel und iSCSI, allerdings eignen sich diese Schnittstellen eher für Überbrückungen zwischen RAID-Arrays und Servern. Grundsätzlich ist SAS sehr ähnlich zu SATA, mit dem Unterschied, dass SAS mit SCSI-Kommandos und höherer Zuverlässigkeit ausgestattet wurde. Zusätzlich bringt SAS einige Vorteile gegenüber SATA mit sich.
Zum einen verwendet SAS Native Command Quering (NCQ) mit dem bis zu 256 Kommandos gleichzeitig ausgeführt werden können, was Zugriffszeiten und Lesekopfbewegungen minimiert. SATA verfügt ebenfalls über diese Funktion, allerdings nur mit 32 Kommandos.
Zum anderen verwendet SAS den gleichen Stecker wie SATA, was den Massenspeicher Hotplug-fähig macht. Darüber hinaus liegt der Signalpegel von SAS deutlich unter dem von SATA, was die Signalübertragung wesentlich weniger anfällig gegenüber Störungen macht.
Ein SAS-Laufwerk wird ohne eine Konfiguration direkt an den Host-Controller angeschlossen. Somit ist die Verkabelung wesentlich vereinfacht und jedes SAS-Gerät hat eine feste Adresse. Für die Kommunikation zwischen Gerät und Controller sorgt das SSP (Serial SCSI Protocol), welches das parallele SCSI-Protokoll in ein serielles umwandelt.
SAS Platten lassen sich über zwei Kabel an mehrere SATA-Hosts anschließen, wofür so gut wie jede SAS-Platte einen zweiten Port besitzt. Allerdings können an diesem Host keine Laufwerke parallel betrieben werden. Dafür ist ein SAS-Hostadapter notwendig. Dieser ist in der Lage, SAS- und SATA-Festplatten gleichzeitig zu betreiben, da der Adapter über das SATA-Tunneling-Protocol verfügt. Hiermit können SATA-Kommandos in eigene Datenpakete verpackt werden.
Grundsätzlich ist SAS, genau wie SATA, eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Mit dem SMP (SCSI Management Protocol) können an einer SAS-Schnittstelle mehrere Festplatten angebunden werden. Hierbei wird ein SAS-Kanal durch einen Extender auf mehrere Ports aufgeteilt, womit sich pro Extender theoretisch 128 SAS-Adressen verwalten lassen, also 128 Geräte. Praktisch sind aber nur 36 Geräte pro Extender möglich, da für mehr kein Platz in einem Gehäuse o.Ä. wäre.
Wichtig ist, dass SAS überwiegend im Server-Bereich zu finden ist, da Consumer Boards kaum über SAS-Controller verfügen. Auch die Datenrate von 12 GBit/s benötigen die einzelnen Platten nicht, da diese Übertragungsrate implementiert wurde, um mehrere Platten von einem schnelleren Interface profitieren zu lassen. Dadurch ist es irrelevant für den einzelnen Nutzer, SAS in Betracht zu ziehen.

 

Vergleich SATA & SAS

 

Schnittstelle

SAS

SATA

Bandbreite pro Port

12 GBit/s

6 GBit/s

Spannung

275-1600 mV

325-900 mV

Impedanz

100 Ω

100 Ω

Verbindungsart

Vollduplex

Halbduplex

Leitungsbündelung

Port Aggregation

Nein

Dual Channel

Bis zu 24 GBit/s

Nein

 

SATAe

Der Nachfolger von SATA-6G ist SATA Express. Dieser Anschluss besteht aus 2 nebeneinander angeordneten SATA-Ports und einem extra Port, der für die Stromversorgung der Festplatte zuständig ist. Der Vorteil von SATAe ist, dass man diese zwei SATA-Ports kombinieren kann, um eine PCIe 3.0-Lane verwenden zu können. Der Nachteil an SATAe ist, dass diese Schnittstelle einen vergleichsweise großen Stecker benötigt, da dieser aus 2 SATA-Steckern und einem Zusatzstecker besteht, wodurch der Stecker fast so breit wie die eigentliche Festplatte ist. Die Bezeichnung „SATA Express“ ist allerdings etwas missverständlich, da die Signalübertragung via PCIe erfolgt. Doch selbst mit einfacher PCIe 3.0-Lane sind höchstens 2 GB/s möglich. Heutzutage ist das für einige Anwendungen schon zu wenig, weshalb SATAe, auch aufgrund der Größe des Steckers, noch bevor es wirklich flächendeckend verwendet wurde, bereits ausgedient hatte.

 

M.2 & NVMe

M.2 oder auch NGFF (New Generation Form Factor) genannt, ist der Steckertyp eines länglichen Speichermoduls, das auf einer SSD basiert. Es hat eine festgelegte Breite von 22mm und variiert in der Länge zwischen 30 und 110mm. Handelsüblich sind allerdings nur 42, 60 und 80mm Länge. Durch die Form erinnert es an mSATA-SSDs oder an kleine PCIe-Karten.
Mit neueren Chipsätzen wie z.B. Z170 / Z270 können M.2 Karten über eine PCIe 3.0 x4 Schnittstelle Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 32 GBit/s erreichen. Dies ist nötig um neuere NVMe-SSDs (über NVMe erfahren Sie im Folgenden noch mehr), wie z.B. eine Samsung 960 Pro mit vollen Geschwindigkeiten betreiben zu können. Ältere Chipsätze sind dazu nicht in der Lage; die maximalen Bandbreiten von 20 GBit/s werden höchstens über PCIe 2.0 x4 erreicht. Teilweise können M.2 Slots auch über SATA an den Chipsatz angebunden sein, wodurch sich die Geschwindigkeit auf 6 GBit/s reduziert, egal welche Art von SSD angebunden ist.

M.2 wird als voraussichtliche Zukunftslösung gehandelt, da er an die aktuell schnellste interne Schnittstelle angebunden werden kann und er aufgrund des Formfaktors weder viel Platz, noch Kabel benötigt. Somit ist M.2 zum Einsatz in jedem Bereich geeignet.

Non-Volatile Memory Express (kurz NVMe) ist ein neues Protokoll für nichtflüchtige Datenspeicher. Diese sind z.B. Flash Speicher wie SSDs oder Speicherkarten mit unterschiedlichsten Bauformen. Das Protokoll wurde speziell für Solid State Drives mit direkter PCIe-Anbindung entwickelt, was als Universaltreiber unter jedem Betriebssystem funktioniert. Somit werden SSDs nicht mehr über eine SATA-Schnittstelle betrieben, sondern sind via PCIe direkt an den Chipsatz bzw. die CPU angebunden. Auch dieses Protokoll benötigt einen Host-Controller (NVMHCI), welcher zwischen dem Controller der SSD und dem des Chipsatzes vermittelt. Die eigentliche physikalische Übertragung übernimmt PCIe, während darüberliegende Protokollschichten von NVMe übernommen werden. Damit können die ganzen einzelnen Datenzugriffe zu einem großen Datentransfer zusammengefasst werden, wodurch die hohen Übertragungsraten entstehen. Darüber hinaus hilft das NVMe Protokoll die Prozessorauslastung zu reduzieren und damit den Stromverbrauch zu senken. Zusätzlich kann dank NVMe jede SSD problemlos als Massenspeicher in das Betriebssystem eingebunden werden.

 

PCI Express

PCIe ist als Slot für Erweiterungskarten wie z.B. Grafikkarten gedacht. Diese Schnittstelle erlaubt aber auch das Anschließen von SSDs direkt an den Chipsatz. Damit können bis zu 4 GB/s gelesen und geschrieben werden (theoretisch auch mehr, allerdings werden einer M.2 Karte nur 4 PCIe 3.0 Lanes zugeiteilt). Allerdings ist auch hier die Bandbreite von der Anbindung an die CPU abhängig. Wenn die CPU neben einer Grafikkarte nur noch 2 PCIe 3.0 Lanes unterstützt, werden maximal 2 GB/s übertragen.
Im dritten Quartal des letzten Jahres wurde der Nachfolger von PCIe 3.0 vorgestellt.
Die 4. Generation von PCI Express soll die doppelten Bandbreiten von PCIe 3.0 liefern, jedoch sind Intel und AMD noch weit davon entfernt, diese neue Entwicklung in ihrer Hardware zu etablieren. Wieso wird also eine weitere Generation von PCIe entwickelt, wenn der Markt dafür noch nicht bereit ist?
Grundsätzlich ist die Anzahl der unterstützen PCIe-Lanes in einem System begrenzt. Zudem gibt es noch keine Peripherie, die mit PCIe 4.0 kompatibel ist. Jedoch vernimmt die Speicherwelt seit ein paar Jahren extreme Entwicklungen, was vor allem im Serverbereich wichtig ist. Dort wird oftmals schon mit 100 GBit/s-Netzwerkkarten gearbeitet, die ihr volles Potential aber nur ausreizen können, wenn Speicher in der Lage sind, mit solch hohen Geschwindigkeiten zu lesen und zu schreiben. Daher wird sich der neue PCIe Standard wohl erst in Serverräumen wiederfinden.
Trotzdem versucht man, PCIe 4.0 für AMD und Intel attraktiver zu machen, da die Peripheriehersteller die Anzahl der unterstützen Lanes festlegen. Bisher steht fest, dass eine M.2 SSD maximal 4 PCIe 3.0 Lanes zugeschrieben bekommt. Dies soll sich in Zukunft auch nicht ändern (zumindest nicht im Consumer Bereich), da Peripherie- und Netzwerkkarten noch Vorrang in der Zuteilung der Lanes haben. Wenn in Zukunft Lese- und Schreibraten von SSDs jedoch die maximale Bandbreite von PCIe 3.0 x4 überschreiten ist es an der Zeit, neue Standards (in diesem Fall PCIe 4.0) flächendeckend einzuführen.
Zusätzlich dazu könnte man bei schnelleren PCIe-Lanes beispielsweise ein Mainboard mit mehr USB-Ports ausstatten, ohne dafür mehr Lanes in Anspruch zu nehmen, oder die Anzahl der Ports gleich halten, aber dafür weniger Lanes zu belegen.

Bevor Sie aber eine M.2 SSD über eine PCIe-Schnittstelle anbinden informieren Sie sich darüber, wie viele PCIe-Lanes dieser SSDs zugewiesen werden können. Danach sollte die Wahl zwischen dem AHCI- oder dem NVMe-Protokoll getroffen werden. Tendenziell sollte immer zu NVMe gegriffen werden (sofern das Protokoll vom Mainboard unterstützt ist), da der Vorgänger AHCI nur noch verwendet wird, um Kompatibilität zu älteren Mainboards zu gewährleisten. NVMe ist ein neues Protokoll, das speziell für Flash-Speicher wie SSDs eingesetzt wird und die Schreib- und Leseraten optimal ausreizen kann, da es die einzelnen Speichereinheiten (genannt Pages) besser auslesen kann als AHCI. Somit reduziert es die Prozessorauslastung für Multicore-CPUs deutlich, wodurch Speicher und CPU effizienter arbeiten können. Die erhöhte Effizienz entsteht nicht nur durch weniger Auslastung beim Zugriff auf den Speicher, sondern auch durch eine direkte Verbindung von Speicher zu CPU. Bei AHCI läuft ein Lese- bzw. Schreibzugriff über einen Host Bus Adapter ab, der die Daten dann an die CPU verteilt, NVMe überspringt diesen Schritt. Zudem können NVMe-SSDs Daten parallel senden und empfangen, was beim AHCI-Protokoll ausgeschlossen war.

 

Fazit

Grundlegend ist zu sagen, dass SATA 6G von SATAe, SAS, M.2 und PCIe bezüglich Bandbreiten in den Schatten gestellt wird. Da SATAe und SAS vor allem im Consumer-Bereich kaum bis überhaupt nicht genutzt wird, sind M.2 und PCIe die einzig relevanten Lösungen für den Endnutzer, der über die Geschwindigkeiten von SATA 6G hinauskommen möchte.
Genaugenommen legt M.2 gar nicht die mögliche Bandbreite fest, sondern eigentlich nur die Steckerart. Je nach Mainboard wird die M.2-Buchse nicht über eine PCIe- sondern über eine SATA-Schnittstelle betrieben und bringt somit keinen Geschwindigkeitsvorteil. Zu beachten ist also, dass der M.2-Slot über eine PCIe-Lane mit dem Chipsatz kommuniziert und das NVMe Protokoll unterstützt wird. Darüber hinaus eignet sich M.2 aufgrund des kleinen Formfaktors ideal zur Nutzung in Notebooks, Barebones und HTPCs, da keinerlei Kabel zur Installation benötigt werden und der Austausch einer M.2 Karte recht einfach durchzuführen ist. Somit können auch Leihen die Speicherkapazität ihrer Computer leicht erweitern. Zu beachten sind aber die minimalen Abweichungen zwischen verschiedenen M.2 Keys, über die Sie in unserem separaten Artikel über M.2 informiert werden.
Wenn Sie als Benutzer eines Desktop-PCs keinen M.2 Slot zur Verfügung haben, bleibt Ihnen nur die Alternative, einen PCIe Slot zu benutzen. Da SSDs mit PCIe-Anschluss meist noch sehr viel teurer als M.2 SSDs sind können Sie Ihren M.2-Datenträger mithilfe einer Trägerkarte auf einen PCIe-Anschluss adaptieren. Somit können sich die Vorteile einer M.2 NVMe SSD auch ohne einen M.2-Slot nutzen.