U.2 und NVMe - Für mehr PC Performance
Ein bedeutender Faktor für die Leistungsfähigkeit des PC ist die verwendete Festplatte bzw. SSD. Hier wiederum kommt es ganz entscheidend auf zwei Dinge an: die Schnittstellentechnik und das Protokoll für den Datenverkehr. Im Folgenden werden die Schnittstelle U.2 sowie das Datentransferprotokoll NVMe im Einzelnen beleuchtet.
Danach wird aufgezeigt, welche Rolle U.2 und NVMe für die SSD spielen oder, ganz allgemein gesagt, was diese Technologien mit der Performance des Rechners zu tun haben. - Schließlich werden einige Delock Produke, also Adapter, Konverter und Kabel im Bereich U.2 / NVMe vorgestellt.
Die Technologien im Einzelnen
1. Die U.2 Schnittstelle
U.2 wird bei NVMe SSDs im 2,5" Format eingesetzt. Sie wurde zunächst als SFF-8639 bezeichnet. 2015 entschloss sich die SSD Form Factor Working Group (SFFWG) für den einfacheren Namen U.2, was auch gut zur etablierten M.2 Schnittstelle passt.
In Desktop-PCs ist die U.2 Schnittstelle noch nicht sehr verbreitet. Zur Konvertierung sind M.2 zu U.2 Adapter oder PCIe zu U.2 Steckkarten erhältlich. Die Konverter haben eine SFF-8643 Buchse; zum Anschluss muss ein passendes U.2 Kabel mit SFF-8639 oder SFF-8643 Stecker verwendet werden. Im Gegensatz zu SATA Express verwendet der U.2 Anschluss zusätzliche Pins, die die Übertragung von vier PCIe Lanes unterstützen.
2. Das NVMe Protokoll
NVM Express ( = NVMe) ist ein weiterentwickeltes Datentransfer Protokoll für den PCIe Bus und Nachfolger von AHCI (Advanced Host Controller Interface), das erstmals 2011 veröffentlicht wurde. NVMe steht für Non-Volatile Memory Express = Protokoll für nichtflüchtige Speicher. Es ist nicht auf SSDs limitiert, sondern generell auf persistente Speicher ausgelegt.
NVMe wurde mit Fokus auf optimierte Kommando-Verwaltung (Submission und Completion) entwickelt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit von PCIe SSDs wurde außerdem darauf geachtet, dass möglichst viele Kommandos parallel abgearbeitet werden können. Durch das effizientere Absetzen der Kommandos wird die Latenzzeit (Verzögerung) deutlich reduziert, was eine Verbesserung der sequentiellen Lese- und Schreibleistung von Daten zur Folge hat.
Ganz einfach formuliert: je schneller die "wartende" CPU Daten empfangen kann, desto eher können diese Daten weitergeleitet werden, heißt: desto schneller der PC.
Was haben U.2 und NVMe mit der Arbeitsgeschwindigkeit des PC zu tun?
HDD versus SSD
Die Geschwindigkeit, in der ein PC arbeitet, wird bedeutend durch das Medium definiert, auf dem Betriebssystem und Programme installiert sind. Klassische Festplatten (HDDs) werden heutzutage mehr und mehr durch SSDs ersetzt. SSD steht für Solid State Drive bzw. Disc = nichtflüchtiger Speicher. SSDs besitzen keine beweglichen mechanischen Teile mehr wie HDDs, z. B. Lesekopf oder Magnetscheibe.
Speichervorgänge bei SSDs laufen rein elektronisch ab. Da es keine empfindliche Motorlagerung und Lese-Schreib-Mechanik mehr gibt, sind SSDs viel robuster und stoßfester und damit besonders für den mobilen Einsatz geeignet. Weitere Vorteile sind sehr kurze Zugriffszeiten, ein lautloser Betrieb, geringes Gewicht, niedriger Energieverbrauch und wenig Abwärme, was besonders bei Notebooks oder anderen mobilen Geräten wichtig ist und auch die Akkulaufzeit verringert.
SSD und U.2 / NVMe
Klassische Festplatten, bei denen schon allein die Mechanik die Geschwindigkeit des Speichers begrenzt, nutzen noch den SATA-Anschluss und das AHCI Protokoll zum Datenverkehr. Zwar sind, wie oben erwähnt, SSDs an sich schon bedeutend schneller als HDDs. Doch jetzt können die Faktoren Schnittstellentechnik sowie verwendetes Datentransferprotokoll weiterhin als Geschwindigkeitsbremsen wirken. Praktisch gesagt: SSDs via SAS oder SATA, die das AHCI Protokoll nutzen, erreichen nicht das Optimum an Geschwindigkeit.
Via SATA-Anschluss angebundene SSDs mit AHCI erreichen Transferraten von maximal 0.6 GB/s. SSDs mit PCIe-3.0-Anschluss und AHCI weisen Geschwindigkeiten von etwa 1 GB/s auf, wenn sie einen Übertragungskanal (= 1 Lane) nutzen.
Bei der Nutzung von 4 Lanes würde sich die Geschwindigkeit theoretisch vervierfachen und somit 4 GB/s erreichen. Praktisch möglich gemacht wird dies nun durch die Nutzung von PCIe SSDs, die mit dem NVMe Protokoll arbeiten, womit das bis dato mögliche Optimum an Geschwindigkeit erreicht ist.
| DATENTRANSFERRATEN IM VERGLEICH | |
|---|---|
| Speicher | Geschwindigkeit |
| HDD | ~ 0,1 GB/s |
| SSD (AHCI) mit SATA-Anschluss | ~ 0,5 - 0,6 GB/s |
| SSD (AHCI) mit PCIe-Anschluss | ~ 1 GB/s (1 Lane) |
| SSD (NVMe) mit PCIe-Anschluss | ~ 4 GB/s (4 Lanes) |
Wenn nun statt einer Steckkarte, die ja direkt in den M.2 bzw. PCIe Slot gesteckt werden kann, eine NVMe SSD im 2.5" Format genutzt werden soll, kommt die U.2 Schnittstelle in's Spiel. An Stelle des direkten Weges kann hier über ein U.2 Kabel der PCIe BUS verbunden werden. Somit ist wiederum die Unterstützung der vier PCIe Lanes gewährleistet.
Das bieten PCIe SSDs mit NVMe
Große Datenmengen werden schneller übertragen
Betriebssystem wird schneller gebootet
Programme werden schneller geladen
System kann schneller reagieren
Produktbeispiele U.2 und NVMe von Delock
Adapter
Adapter M.2 Key M > SFF-8643 NVMe
Anschlüsse:
1 x 67 Pin M.2 Key M Stecker
1 x 36 Pin SFF-8643 Buchse
Schnittstelle: PCIe (2 oder 4 Lanes)
Formfaktor: M.2 2260
Passend für M.2 Slot mit Key M auf PCIe Basis
Kompatibel zu PCI Express V3.0
Datentransferrate bis zu 32 Gbps
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Betriebstemperatur: -10 °C ~ 85 °C
PCI Express Karte > 1 x intern NVMe M.2 PCIe /
1 x intern SFF-8643 NVMe
Anschlüsse:
1 x 67 Pin M.2 Key M Slot
1 x PCI Express x4, V3.0
1 x 36 Pin SFF-8643 Buchse
Schnittstelle: PCIe
Passend für M.2 Module im Format: 2280, 2260, 2242 und 2230
mit Key M oder Key B+M auf PCIe oder SATA Basis
Maximale Höhe der Komponenten auf dem Modul: 1,35 mm,
Verwendung von zweiseitig bestückten Modulen möglich
Stromversorgung über PCI Express
Maximale Ausgangsstromstärke: 4 A
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Kurzschlussschutz, Überhitzungsschutz
PCI Express Karte > 1 x intern NVMe M.2 PCIe / 1 x intern SFF-8643 NVMe
Anschlüsse:
1 x 67 Pin M.2 Key M Slot
1 x PCI Express x4, V3.0
1 x 36 Pin SFF-8643 Buchse
Schnittstelle: PCIe
Passend für M.2 Module im Format: 2280, 2260, 2242 und 2230 mit Key M oder Key B+M auf PCIe oder SATA Basis
Maximale Höhe der Komponenten auf dem Modul: 1,35 mm, Verwendung von zweiseitig bestückten Modulen möglich
Stromversorgung über PCI Express
Maximale Ausgangsstromstärke: 4 A
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Kurzschlussschutz, Überhitzungsschutz
PCI Express x4 Karte > 1 x intern SFF-8643 NVMe
Anschlüsse:
1 x 36 Pin SFF-8643 Buchse
1 x PCI Express x4, V3.0
1 x 2 Pin LED Pfostenstecker
Datentransferrate bis zu 12 Gbps
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Konverter
PCI Express Karte > 1 x intern M.2 NVMe
Anschlüsse:
1 x 67 Pin M.2 Key M Slot
1 x PCI Express x4, V3.0
1 x LED Pin Header
Schnittstelle: PCIe
Passend für M.2 Module im Format: 2280, 2260 und 2242
mit Key M oder Key B+M auf PCIe Basis
Maximale Höhe der Komponenten auf dem Modul: 1,5 mm,
Verwendung von zweiseitig bestückten Modulen möglich
Bootfähig, ab UEFI Version 2.3.1
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Anschlüsse:
1 x 67 Pin M.2 Key M Slot
1 x PCI Express x4, V3.0
1 x LED Pin Header
Schnittstelle: PCIe
Passend für M.2 Module im Format: 2280, 2260 und 2242 mit Key M oder Key B+M auf PCIe Basis
Maximale Höhe der Komponenten auf dem Modul: 1,5 mm, Verwendung von zweiseitig bestückten Modulen möglich
Bootfähig, ab UEFI Version 2.3.1
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Konverter U.2 SFF-8639 > M.2 NVMe Key M
Anschlüsse:
1 x U.2 SFF-8639 Stecker >
1 x 67 Pin M.2 Key M Slot
Schnittstelle: PCIe (2 oder 4 Lanes)
Passend für M.2 Module im Format: 2280, 2260, 2242 und 2230
mit Key M oder Key B+M auf PCIe Basis
Maximale Höhe der Komponenten auf dem Modul: 1,5 mm,
Verwendung von zweiseitig bestückten Modulen möglich
Jumper zur Einstellung 2 oder 4 Lanes M.2 SSD
LEDs für Power und Aktivität
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Kurzschlussschutz, Einschaltstrom Unterdrückung, Überhitzungsschutz
Anschlüsse:
1 x U.2 SFF-8639 Stecker >
1 x 67 Pin M.2 Key M Slot
Schnittstelle: PCIe (2 oder 4 Lanes) mit Key M oder Key B+M auf PCIe Basis
Maximale Höhe der Komponenten auf dem Modul: 1,5 mm, Verwendung von zweiseitig bestückten Modulen möglich
Jumper zur Einstellung 2 oder 4 Lanes M.2 SSD
LEDs für Power und Aktivität
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Kurzschlussschutz, Einschaltstrom Unterdrückung, Überhitzungsschutz
3.5″ Konverter SATA 22 Pin / SFF-8643 NVMe >
1 x M.2 Key M + 1 x M.2 Key B
Anschlüsse:
1 x SATA 6 Gb/s 22 Pin Buchse (für SATA SSDs)
1 x 36 Pin SFF-8643 Buchse (für PCIe SSDs 2 oder 4 Lanes)
1 x 67 Pin M.2 Key M Slot (PCIe SSD)
1 x 67 Pin M.2 Key B Slot (SATA SSD)
Schnittstelle: SATA/PCIe (2 oder 4 Lanes)
Passend für M.2 Module im Format: 2280, 2260, 2242 und 2230
mit Key M oder Key B+M auf PCIe oder SATA Basis
Maximale Höhe der Komponenten auf dem Modul: 1,5 mm,
Verwendung von zweiseitig bestückten Modulen möglich
SATA 15 Pin Stromanschluss immer erforderlich
LEDs für Power und Aktivität
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Maximale Ausgangsstromstärke: 4 A (PCIe) und 3 A (SATA)
3.5″ Konverter SATA 22 Pin / SFF-8643 NVMe > 1 x M.2 Key M + 1 x M.2 Key B
Anschlüsse:
1 x SATA 6 Gb/s 22 Pin Buchse (für SATA SSDs)
1 x 36 Pin SFF-8643 Buchse (für PCIe SSDs 2 oder 4 Lanes)
1 x 67 Pin M.2 Key M Slot (PCIe SSD)
1 x 67 Pin M.2 Key B Slot (SATA SSD)
Schnittstelle: SATA/PCIe (2 oder 4 Lanes)
Passend für M.2 Module im Format: 2280, 2260, 2242 und 2230 mit Key M oder Key B+M auf PCIe oder SATA Basis
Maximale Höhe der Komponenten auf dem Modul: 1,5 mm, Verwendung von zweiseitig bestückten Modulen möglich
SATA 15 Pin Stromanschluss immer erforderlich
LEDs für Power und Aktivität
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Maximale Ausgangsstromstärke: 4 A (PCIe) und 3 A (SATA)
Kabel
Kabel SFF-8643 Stecker > U.2 SFF-8639 Stecker
+ SATA Strombuchse
Kabel SFF-8643 Stecker > U.2 SFF-8639 Stecker + SATA Strombuchse
Anschlüsse:
SFF-8643 Stecker >
U.2 SFF-8639 Stecker + SATA 15 Pin Strombuchse
Datentransferrate bis zu 2 GB/s (PCI Express Rev. 2.0)
bzw. 4 GB/s (PCI Express Rev. 3.0)
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Drahtquerschnitt:
30 AWG Datenleitung
24 AWG Stromleitung
Länge (ohne Anschlüsse):
Datenkabel ca. 50 cm
Stromkabel ca. 5 cm
Auch erhältlich als Art. 84821 mit Länge des Datenkabels ca. 75 cm
Anschlüsse:
SFF-8643 Stecker >
U.2 SFF-8639 Stecker + SATA 15 Pin Strombuchse
Datentransferrate bis zu 2 GB/s (PCI Express Rev. 2.0) bzw. 4 GB/s (PCI Express Rev. 3.0)
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Drahtquerschnitt:
30 AWG Datenleitung
24 AWG Stromleitung
Länge (ohne Anschlüsse):
Datenkabel ca. 50 cm
Stromkabel ca. 5 cm
Auch erhältlich als Art. 84821 mit Länge des Datenkabels ca. 75 cm
Kabel SFF-8643 Stecker gewinkelt > U.2 SFF-8639 Stecker
+ SATA Strombuchse
Kabel SFF-8643 Stecker gewinkelt > U.2 SFF-8639 Stecker + SATA Strombuchse
Anschlüsse:
SFF-8643 Stecker gewinkelt >
U.2 SFF-8639 Stecker + SATA 15 Pin Strombuchse
Datentransferrate bis zu 2 GB/s (PCI Express Rev. 2.0)
bzw. 4 GB/s (PCI Express Rev. 3.0)
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Drahtquerschnitt:
30 + 32 AWG Datenleitung
18 + 24 AWG Stromleitung
Länge (ohne Anschlüsse):
Datenkabel ca. 75 cm
Stromkabel ca. 10 cm
Anschlüsse:
SFF-8643 Stecker gewinkelt >
U.2 SFF-8639 Stecker + SATA 15 Pin Strombuchse
Datentransferrate bis zu 2 GB/s (PCI Express Rev. 2.0) bzw. 4 GB/s (PCI Express Rev. 3.0)
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Drahtquerschnitt:
30 + 32 AWG Datenleitung
18 + 24 AWG Stromleitung
Länge (ohne Anschlüsse):
Datenkabel ca. 75 cm
Stromkabel ca. 10 cm
Verlängerungskabel U.2 SFF-8639 Stecker > U.2 SFF-8639 Buchse
Anschlüsse:
U.2 SFF-8639 Stecker >
U.2 SFF-8639 Buchse
Datentransferrate bis zu 2 GB/s (PCI Express Rev. 2.0)
bzw. 4 GB/s (PCI Express Rev. 3.0)
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Drahtquerschnitt:
30 AWG Datenleitung
24 AWG Stromleitung
Länge (ohne Anschlüsse) ca. 50 cm
Auch erhältlich als Art. 84830 mit Kabellänge ca. 100 cm
Anschlüsse:
U.2 SFF-8639 Stecker >
U.2 SFF-8639 Buchse
Datentransferrate bis zu 2 GB/s (PCI Express Rev. 2.0) bzw. 4 GB/s (PCI Express Rev. 3.0)
Unterstützt NVM Express (NVMe)
Drahtquerschnitt:
30 AWG Datenleitung
24 AWG Stromleitung
Länge (ohne Anschlüsse) ca. 50 cm
Auch erhältlich als Art. 84830 mit Kabellänge ca. 100 cm
Kabel Mini SAS HD SFF-8643 > Mini SAS HD SFF-8643
Anschlüsse:
Mini SAS HD SFF-8643 Stecker
Mini SAS HD SFF-8643 Stecker
12 Gb/s Serial Attached SCSI (SAS) Spezifikation
Datentransferrate bis zu 12 Gb/s
Drahtquerschnitt: 30 AWG
Für internen Anschluss
Länge (ohne Anschlüsse) ca. 100 cm
Auch erhältlich als Art. 83386 mit Kabellänge ca. 50 cm