Wie NVMe-Flashspeicher Schreib- und Lesevorgänge beschleunigen

Das Protokoll Non Volatile Memory Express (NVMe) kann den Datendurchsatz bei Solid State Drives auf 3,4 GB/s und deutlich darüber beschleunigen. Davon profitieren zum Beispiel Video-Workstations, Flash-Speicher in virtuellen Umgebungen sowie All-Flash-Speicher für Datenbankanwendungen.

Warum NVMe schneller ist als jede andere Speichertechnik

Das Protokoll NVMe ist speziell zur Ansteuerung von Solid State Drives (SSD) entwickelt worden, um die Leistungsfähigkeit dieses digitalen Speichermediums voll auszuschöpfen. PCIe dient dabei als Hardware-Schnittstelle. So lassen sich die Daten parallel über alle Kanäle (Lanes) der PCIe-Schnittstelle übertragen. Im Gegensatz zu SATA oder SAS, die für klassische Festplatten entwickelt wurden, müssen die Daten hier nicht chronologisch aufgerufen werden – NVMe kann die Daten parallel und direkt an jedem Ort des Speichers ansprechen. Zudem arbeitet das Protokoll mit einem kleinen Befehlssatz und Overhead. So erzielt NVMe bei einer PCIe-3.0-Schnittstelle mit vier Kanälen (NVMe PCIe 3.0 4x) einen Datendurchsatz bis 3,4 Gigabyte/s (Lesen), bei 16 Lanes etwa das Vierfache. SATA-III-Schnittstellen erreichen dagegen maximal 560 Megabyte/s. NVMe ermöglicht – je nach SSD-Modell – bis zu einer Million IOPs (Input/Output-Operationen) beim Lesen und Schreiben. Das schafft keine andere Speichertechnologie. Voraussetzungen dafür sind eine PCIe-Schnittstelle, die NVMe unterstützt, sowie eine Infrastruktur, die mit dem hohen Datendurchsatz umgehen kann.

Welche Anwendungen besonders profitieren

Mit seinen konkurrenzlos schnellen Lesezyklen eignet sich NVMe vor allem für Anwendungen, bei denen große Datenmengen schnell zu durchforsten sind. Die Technik ist deshalb prädestiniert für Datenbanken, KI-gestützte Analyse-Tools oder Machine Learning. Die schnellen Speicherplatten eignen sich im Umfeld von Rechenzentren für Caches oder Flash-Speicher in Software-Defined-Storage-Umgebungen und hyperkonvergente Infrastrukturen wie Azure Stack HCI oder Proxmox Ceph HCI. Bei vielen Datenbankanwendungen kann es sinnvoll sein, NVMe-SSDs als Standardspeicher (All-Flash) einzusetzen. Da die User hier meistens keine großen Datenmengen verarbeiten, halten sich die Mehrkosten in Grenzen.

Wieso Sie Video-Workstations mit NVMe-SSDs ausstatten sollten

Zudem kommen NVMe-SSDs als schneller Arbeitsspeicher für Video-Workstations infrage. Sie beschleunigen die Videobearbeitung sowie das Arbeiten mit CAD- und Simulations-Software erheblich. Bei der Auswahl der NVMe-SSD ist darauf zu achten, dass Speicherkapazität und Schreibbeständigkeit (Endurance) zur täglich anfallenden Datenmenge passen. Die Endurance gilt als wichtiges Auswahlkriterium für SSDs und wird in Drive Writes per Day (DWPD) angegeben. Manche Baureihen erzielen nur 0,3 Drive Writes per Day. Damit können User dann pro Tag nur knapp ein Drittel der angegebenen maximalen Speicherkapazität nutzen, bei 500 Gigabyte wären das beispielsweise lediglich rund 150 Gigabyte. Aktuelle M.2-NVMe-SSDs erzielen meist eine Schreibbeständigkeit von 1 DWPD oder mehr.  

Wann welche NVMe-Variante sinnvoll ist

NVMe-SSDs gibt es in verschiedenen Größen. Bei Client-Systemen sind die kleinen Speicherkarten mit ​M.2-Schnittstelle verbreitet, die am M.2-Port an der Hauptplatine andocken. Ähnliches gilt für Server, wobei die Karte dann als Boot Device für das Betriebssystem dient.

Darüber hinaus bietet sich für Server und Storage-Appliances die 2,5-Zoll-Schnittstelle U.2 an. Sie kann ​NVMe-, SAS- und SATA-­SSDs aufnehmen und ist hotplugfähig. 2,5-Zoll-SSDs weisen zudem höhere Speicherkapazitäten als M.2-Karten auf. Für NVMe ist hier die PCIe-Version 3.0 mit vier Lanes am weitesten verbreitet, möglich sind bis zu 16 Lanes. Samsung hat bereits U.2-Platten für PCIe 4.0 4x im Programm, die mit 6,8 Gigabyte/s die doppelte Datenrate liefern.

Die Zukunft bringt für Rechenzentren außerdem linealförmige SSDs für Speicherlösungen mit hoher Speicherdichte. Die SNIA (Storage Networking Industry Association) hat dieses Format als EDSFF (Enterprise & Data­center SSD Form Factor) standardisiert.

Wie sich mit NVMe schnelle Speichernetze aufbauen lassen

Damit sich mit NVMe auch Speichernetze und -Pools verwalten lassen, hat das NVM-Express-Industriekonsortium drei NVMe-over-Fabrics-Varianten (NVMe-oF) spezifiziert. Dabei dient eine zusätzliche Zwischenebene des Protokolls zur Netzwerkverteilung. Diese Varianten erzielen in der Regel höhere Datenraten und geringere Latenzen als ISCSI- oder FC-Storage-Netze und eignen sich für Distanzen bis wenige Hundert Meter.

NVMe-oF unterstützt drei Fabric-Typen:

• NVMe-over-FC baut die NVMe-Kommandos in Fiber-Channel-Frames ein. Das kostet Latenz, funktioniert aber immer noch schneller als ein Fiber-Channel-SAN.
• NVMe-over-TCP nutzt die vorhandene LAN-Infrastruktur, auch hier steigt die NVMe-Latenz abhängig von der vorhandenen Infrastruktur.
• NVMe-over-RDMA (Remote Direct Memory Access) ermöglicht netzwerkbasierte direkte Memory-Zugriffe auf den Arbeitsspeicher eines anderen Servers. Hier bleibt die Latenz relativ niedrig. Diese Variante benötigt spezielle Switches und HBAs, die RoCE oder iWARP unterstützen, und bietet sich zum Beispiel für High Performance Computing an. 

Bisher galt die Speicherschnittstelle als Flaschenhals des Flash-Speichers. Mit NVMe kann sich herausstellen, dass die Server-Backplane oder das Netzwerk nicht für so hohe Datenraten ausgelegt sind. Wenn NVMe-over-TCP ein LAN überlastet, verlangsamt es sich womöglich.

Warum SAS-SSDs und HDDs interessant bleiben

NVMe-SSDs der Enterprise-Klasse mit geringer Latenz und hoher Schreibbeständigkeit haben ihren Preis. Die verbreiteten PCIe-3.0-SSDs mit vier Lanes agieren schneller als moderne SAS-SSDs, aber 12G-SAS-Laufwerke schaffen immerhin 1,2 Gigabyte/s und mit Dual-Porting 2,4 Gigabyte/s. Nicht bei jeder Anwendung müssen die Daten mit 3,4 Gigabyte/s gelesen werden. Darüber hinaus kann das Dual-Porting zum Anschluss an einen zusätzlichen Host genutzt werden, um Redundanz für eine erhöhte Ausfallsicherheit herzustellen. Auch Festplatten weisen neben ihrem günstigen Preis Vorzüge auf, die Daten lassen sich darauf zum Beispiel bis zu zehn Jahre lang speichern.

Fazit: NVMe braucht eine schnelle Umgebung

High-Speed-Infrastrukturen mit Anwendungen, bei denen große Datenmengen in kürzester Zeit gescannt werden müssen, erhalten mit NVMe-SSDs einen Geschwindigkeitskick. Bei Datenbanken rechnet es sich mittlerweile, eine All-Flash-Lösung einzusetzen, die den Datenzugriff beschleunigt. Darüber hinaus reichen für viele Anwendungen SATA-SSDs als Flash-Speicher aus. Wichtig ist, dass Infrastruktur und Hardware dafür ausgelegt sind.