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Was ist NVMe?

| Autor: Klaus Länger

Grundlagenwissen zum IT-Business
Grundlagenwissen zum IT-Business (Bild: © adiruch na chiangmai - Fotolia.com)

NVM Express (NVMe) ist eine standardisierte Host-Controller-Schnittstelle für über PCI-Express (PCIe) angebundene SSDs. Sie ist für SSDs besser geeignet, als das bei SATA-Laufwerken gebräuchliche AHCI, das für mechanische Laufwerke entwickelt wurde. NVMe over Fabrics ist eine Erweiterung für Storage-Netzwerke.

Die SATA-Schnittstelle mit AHCI stellt für nichtflüchtigen Speicher (Non-volatile Memory) wie etwa dem bei SSDs gebräuchlichen NAND-Flash eine Limitierung dar. Während SATA-SSDs beim sequenziellen Lesen maximal etwa 550 MB/s erreichen können, ist bei über vier PCI-Express-Lanes angebundenen NVMe-SSDs eine Datenübertragung mit bis zu 4.000 MB/s möglich. Anders als bei SATA-SSDs ist bei NVMe-Massenspeichern keine zeitraubende Protokollumsetzung nötig. Bei Servern und Workstations löst NVMe zunehmend die SAS-Schnittstelle ab.

Bei der Entwicklung des Übertragungsprotokolls wurde darauf geachtet, dass möglichst viele Kommandos parallel verarbeitet werden. Während AHCI mit einer Befehlswarteschlange arbeitet, die maximal 32 Befehle aufnehmen kann, sind es bei NVMe 65.535 Warteschlangen mit jeweils 65.535 Befehlen. Der Befehlssatz wurde gleichzeitig erheblich verkleinert. Durch die Parallelisierung profitiert NVMe zudem stark von Multicore-CPUs, da es pro Core zugeordnete Warteschlangen und Interrupts gibt. Die Befehle benötigen dagegen weniger CPU-Zyklen, als AHCI-Befehle. Auch die Latenz ist gegenüber SCSI oder SAS halbiert.

Die Entwicklung von NVMe

Die Entwicklung von NVM Express wurde zunächst durch Intel angestoßen und dann durch die NVM Express Workgroup mit Mitgliedern aus mehr als 90 Unternehmen fortgeführt. Im März 2011 wurde die Version 1.0 der NVMe-Spezifikation veröffentlicht. Die ersten NVMe-Controller waren 2012 verfügbar, das erste Laufwerk von Samsung Mitte 2013. Seit 2014 übernimmt das Industriegremium NVM Express Inc. die Weiterentwicklung des Standards. Derzeit ist die Version 1.3b aktuell.

NVMe over Fabrics

Der nächste Schritt ist NVMe over Fabrics, die Erweiterung von NVMe auf RDMA-fähige Storage-Netzwerke. Dabei werden PCI-Express-SSDs unter Nutzung eines NVMe-Protokolls und Remote Direct Memory Access (RDMA) über Ethernet, Fibre Channel oder Infiniband mit dem Host verbunden. Ziele sind dabei die Erhöhung des Durchsatzes und die Minimierung der Latenz. Ein erster Standard für NVMe over Fabrics wurde 2016 veröffentlicht.

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