Was ist NVMe?

Bei NVMe handelt es sich um ein Storage-Protokoll, das die Anbindung von nichtflüchtigem Massenspeicher über die hardwarebasierte PCI Express-Schnittstelle ermöglicht. Die Abkürzung NVMe ist englischen Ursprungs und steht dabei für Non-Volatile Memory Express, was in die deutsche Sprache übersetzt so viel bedeutet wie „nichtflüchtiger Speicher-Express“. Ein nichtflüchtiger Speicher (Non-Volatile) ist eine Art von Massenspeicher, bei dem die gespeicherten Inhalte nicht verloren gehen, wenn das Gerät abgeschaltet wird. Mit NVMe ist es möglich, trotz der dauerhaften Speicherung der Daten extrem schnelle Zugriffszeiten zu erreichen.

Vom Festplattenlaufwerk zum Solid-State-Drive

Im Rahmen der Computertechnik wurde traditionell zwischen dem flüchtigen Arbeitsspeicher (Random Access Memory) und dem nichtflüchtigen Massenspeicher (Festplatten) unterschieden. Während der Arbeitsspeicher beim Ausschalten eines Computers all seine gespeicherten Inhalte verliert, bleiben die Inhalte eines nichtflüchtigen Massenspeichers wie zum Beispiel bei einem Festplattenlaufwerk erhalten. In den Anfangsjahren der Computertechnik kamen Lochkarten und später die weitverbreiteten Bandspeichersystemen zum Einsatz, um Informationen dauerhaft zu speichern. Im Laufe der Jahre etablierten sich die rotierenden Festplatten (Harddisk-Drives) als Massenspeicher erster Wahl.

Die wesentlichen Unterschiede zwischen Arbeitsspeicher und Festplatte lagen allerdings nicht nur in der Weise, wie die Daten gespeichert werden, sondern vor allem auch in den extrem unterschiedlichen Zugriffszeiten. So lag die Zugriffszeit auf sequenziell auf einer Festplatte gespeicherte Daten um ein Hundertfaches höher, als es benötigt wurde, um auf dieselbe Menge an Daten im Arbeitsspeicher zuzugreifen. Erst mit der weiten Verbreitung von smarten Endgeräten wie zum Beispiel Smartphones oder Tablet-PCs und der damit einhergehenden Verwendung von Solid-State-Drives (SSDs) wurde die langjährige Dominanz der Festplattenspeicher unterbrochen.

Heutzutage werden auch in Desktop– und Laptop-PCs hauptsächlich Solid-State-Drives verbaut, sodass man in diesem Kontext von einem Massenspeichermedium mit extrem schnellen Zugriffszeiten und Transferraten sprechen kann. Die Speicherung der Daten erfolgt bei einem SSD-Massenspeicher komplett elektronisch, wobei ganz auf den Einsatz von beweglichen Teilen verzichtet wird. Der Datenzugriff lief bis vor einigen Jahren allerdings immer noch über veraltetet Protokolle wie Serial-ATA (SATA), die in erster Linie für rotierende Festplatten vorgesehen waren.

Wie funktioniert NVMe?

Mit NVMe wurde erstmalig ein Protokoll bereitgestellt, das auf die speziellen Anforderungen von modernen SSD-Laufwerken ausgelegt ist. Es handelt sich dabei um den Nachfolger der Serial-ATA-Schnittstelle. Die SATA-Schnittstelle, die vorerst für die Anbindung von SSDs an das Mainboard genutzt wurde, entwickelte sich schnell zum Flaschenhals. SSDs waren in der Lage, viel höhere Transferraten bereitzustellen, als das Protokoll verarbeiten konnte. Mit der speziell für SSDs entwickelte NVMe-Schnittstelle können Solid-State-Drives nun ihr volles Potenzial ausschöpfen. Um SSDs auf der Hauptplatine anzubinden, kommt der bestehende PCI Express-Standard zum Einsatz. Über PCIe werden Grafikkarten und andere Hardwarekomponenten mit Anforderungen für hohe Datentransferraten angeschlossen. Bei PCI Express handelt es sich in um eine physische Schnittstelle, während NVMe als Protokoll einPendant dazu bildet. Dies bietet den Vorteil, dass aufseiten des Betriebssystems nur ein einzelner Treiber benötigt wird, um alle mit der NVMe kompatiblen SSDs unterschiedlicher Hersteller zu betreiben.

Welche Vorteile hat der Non-Volatile Memory Express?

Die zahlreichen Vorteile von NVMe fußen auf der Nutzung des darunterliegenden PCIe-Standards und der Ausrichtung des Protokolls auf die speziellen Anforderungen und Bedürfnisse moderner SSDs. So führt der auf die Arbeitsweise von SSDs zugeschnittene Kommandosatz zu einem minimalen Overhead beim Zugriff und Speichern von Daten. Durch die direkte Anbindung an PCIe kommt kein Protokollübersetzer zum Einsatz, was geringere Latenzen mit sich bringt. Insbesondere im professionellen High-Performance-Computing und Hosting-Umfeld überzeugt NVMe mit vielen Vorteile. So lassen sich beispielsweise NVMe-SSDs innerhalb einer verteilten Computer-Infrastruktur über mehrere parallele Datenleitungen anbinden. Sollte eine Leitung ausfallen, bleibt das betroffene Gerät trotzdem erreichbar. Darüber hinaus bieten NVMe-Geräte Unterstützung für Hot Swapping, sodass sich Speichermedien im laufenden Betrieb austauschen lassen.

Einsatzbereiche von NVMe

NVMe kommt heutzutage in fast allen Computersystemen zum Einsatz. Von Desktop- und Laptop-Rechnern über professionelle Workstations und Server bis hin zu Forschungscomputern: Schnelle, über NVM-Express angebundene SSDs werden überall verbaut. Dabei kommen unterschiedliche Formfaktoren zum Einsatz, die auf verschiedene Einsatzbereiche ausgelegt sind, wie zum Beispiel:

– M.2-Karten

– NGSFF-Geräte (Next Generation Small Form Factor)

– PCI Express-Karten

– SFF-Geräte (Small Form Factor)

Eine besonders interessante Weiterentwicklung des NVMe-Standards ist das sogenannte „NVMe over Fabrics“. Die Besonderheit hierbei spiegelt sich in der Tatsache wider, dass anstelle einer direkten physischen Anbindung eine Netzwerkverbindung genutzt wird, um NVMe-Geräte über ein Netzwerk anzusprechen. So lassen sich beispielsweise Verbünde von SSD-Speichermedien implementieren, die gigantische Speichermengen mit geringen Zugriffs- und Latenzzeiten bereitstellen.

Beim Non-Volatile Memory Express (NVMe) handelt es sich um ein Protokoll, das auf die speziellen Anforderungen und Bedürfnisse moderner SSDs ausgerichtet ist und sich binnen kurzer Zeit als Standard für SSDs durchgesetzt hat.