Vergleich: NVMe oder SATA SSDs – klassisch oder modern

Die meisten im Handel erhältlichen Solid State Drives (SSDs) folgen entweder dem SATA- oder dem NVMe-Standard. Obwohl NVMe der zeitgemäßere Standard ist und deutlich schneller Daten überträgt, kann auch das bewährte SATA unter Umständen das Mittel der Wahl sein. Denn beide Schnittstellen haben ihre ganz eigenen Vor- und Nachteile. In diesem Artikel erklären wir kurz und knapp die Unterschiede zwischen beiden Anschlussarten, um die Entscheidungsfindung zu erleichtern.

Der Klassiker: SATA

Um die Jahrtausendwende sollte eine neu geschaffene Schnittstelle die Datenübertragung von Festplatten deutlich beschleunigen. Das Ergebnis war das Serial Advanced Technology Attachment, kurz SATA. Wie der Name andeutet, fließen die Daten nacheinander, also seriell durch das Kabel. Mit der Einführung von SSDs nutzten auch diese zunächst die weit verbreitete SATA-Schnittstelle. Damit ließen sich die Festplatten direkt und unkompliziert durch den deutlich schnelleren Flash-Speicher ersetzen. Über den Standard wacht mittlerweile die Serial ATA International Organization (SATA-IO), der neben Intel auch Seagate, Western Digital und andere große Hardwarehersteller angehören.

Neben der höheren Geschwindigkeit führte SATA auch einige wichtige neue Funktionen ein. So erlaubt der Standard das sogenannte Hotplugging, die Datenträger lassen sich folglich im Betrieb abziehen und austauschen. Dank Native Command Queuing (NCQ) können Betriebssysteme mehrere Anfragen gleichzeitig an eine Festplatte stellen. Die entsprechenden Befehle sortiert die Festplatte dann so um, dass sie möglichst schnell und effizient die Daten verarbeiten kann. Per Staggered Spinup lassen sich mehrere verbaute Festplatten verzögert einschalten, was vor allem das Netzteil entlasten soll.

SATA-Buchsen

Festplatten und SSDs mit SATA-Anschluss docken an vom Standard vorgegebenen Buchsen direkt auf der Hauptplatine an. Server-Mainboards haben bis zu zehn solcher SATA-Ports. Mehr können durch Erweiterungskarten angesprochen werden. Zu dieser kabelgebundenen internen Anschlussmöglichkeit kamen im Laufe der Zeit noch einige weitere hinzu. So nutzten etwa viele Notebooks die auf diesen Einsatzzweck zugeschnittenen Standards mSATA und micro SATA.

Für den Anschluss von SSDs hat sich mittlerweile die M.2-Buchse durchgesetzt. Sie ist auch auf den meisten Server-Mainboards zu finden und wird dort meist als Boot-Device für das Betriebssystem eingesetzt. Dabei steckt der Flash-Speicher als Karte in einem kleinen Slot direkt auf der Hauptplatine.

Vor allem in Servern sind auch Festplatten mit Serial Attached SCSI-Schnittstelle (SAS) etabliert. An den entsprechenden Anschlüssen lassen sich unter bestimmten Bedingungen auch SATA-Laufwerke nutzen. Andere Erweiterungen des SATA-Standards, wie eSATA zum Anschluss externer Platten oder SATA Express mit Bündelung zweier PCIe-Lanes konnten sich nicht durchsetzen.

Geschwindigkeitsbegrenzung

Das Betriebssystem kommuniziert in den meisten Fällen über das Advanced Host Controller Interface (AHCI) mit einem SATA-Laufwerk. Nur über diese Schnittstelle lassen sich sämtliche unterstützten Funktionen wie NCQ nutzen. Bei Intel-Systemen bietet der Chipsatz in Form des Plattform Controller Hub (PCH) eine AHCI-Schnittstelle an.

Nach mehreren Revisionen überträgt der derzeit gültige SATA-Standard in der Version 3 maximal 6 GBit/s, was rund 560 MByte/s entspricht. Häufig findet man auch die Bezeichnung SATA-III oder in Anlehnung an die Geschwindigkeit SATA-600 beziehungsweise SATA 6G. Die Übertragungsrate genügt zwar für die meisten Festplatten, nicht aber für moderne SSDs. Letztere schaffen bereits rund 5.000 MByte/s.

NVMe – Maßgeschneidert für SSDs

Um diese schnellen Flash-Speicher anzubinden, entstand vor rund zehn Jahren Non-Volatile Memory Express oder kurz NVMe. Die Spezifikation liegt in den Händen des Unternehmens NVM Express, Inc, an dem ebenfalls zahlreiche Hardwarehersteller beteiligt sind – darunter neben Intel, Seagate und Western Digital auch Microsoft, Nvidia und HP.

Der NVMe-Standard bindet einen Flash-Datenträger direkt über die PCI Express-Schnittstelle an. Bereits eine PCI Express 3.0 Lane transportiert rund ein GByte pro Sekunde. Durch die Bündelung von mehreren Lanes steigt die maximale Übertragungsrate weiter, bei 16 Lanes auf bis zu 16 GB/s. Damit können alle derzeit erhältlichen SSDs ihre volle Geschwindigkeit erreichen.

NVMe bewältigt zudem deutlich mehr parallele Zugriffe als SATA: Während ein SATA-Laufwerk gerade einmal 32 Befehle auf einmal annehmen kann, erlaubt NVMe mehrere tausend Anfragen gleichzeitig. Das kommt vor allem Server-Anwendungen zugute, die sehr häufig auf den Datenträger zugreifen. Da NVMe-Datenträger immer als herkömmliche PCI Express-Geräte arbeiten, entfällt der bei SATA notwendige Zwischenschritt über das AHCI-Interface. Durch Optimierungen senkt NVMe die Latenzen und spart etwas Energie. Abschließend vereinheitlicht der Standard die Betriebssystemtreiber, die aktuelle Versionen von Linux, Windows und macOS von Haus aus mitbringen.

Im Gegenzug belegt ein Datenträger mindestens eine PCI Express Lane. Darüber hinaus lässt sich ein Server nur im UEFI-Modus von einem NVMe-Datenträger starten. Ältere Server, die noch im (Legacy-)BIOS-Modus booten, können also NVMe-SSDs nicht als Boot Device nutzen.

Anschlussvielfalt der SSDs

Im einfachsten Fall sitzt der Flash-Speicher auf einer PCI Express-Karte, die in einem passenden Slot auf der Hauptplatine steckt. NVMe-Datenträger gibt es jedoch auch in Form von Steckkarten für den M.2- und den U.2-Anschluss. Letztgenannter ist vor allem in Servern anzutreffen und setzt sich zunehmend durch. Der entsprechende Stecker firmiert unter der Bezeichnung SFF-8639. Als Abwandlung eines SAS-Steckers passt er an SATA-, SAS- und U.2-Datenträger. Damit lassen sich in einem System sogar SSDs mit verschiedenen Anschlüssen mischen – sofern der Server dies unterstützt. Außerdem sind sie hotplug-fähig und mit höhreren Kapazitäten erhältlich als Steckkarten für den M.2-Slot. Bei letzerem ist es zudem wichtig, auf das unterstützte Protokoll zu achten: Insbesondere einige ältere Hauptplatinen kommunizieren über diesen Anschluss nur mit SATA-Geräten. NMVe SSDs lassen sich dann an solch einem Port nicht betreiben.

 

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Fazit: Vergleich NVMe oder SATA SSDs

Während sich SATA an den Eigenschaften von Festplatten orientiert, ist NVMe auf schnelle SSDs zugeschnitten. Wer in seinem Server ausschließlich SSDs anschließen möchte, sollte deshalb zu einem NVMe-Modell greifen. SATA-Festplatten sind zumindest in kleinen Servern und NAS-Systemen noch gut aufgehoben. Obwohl die Schnittstelle deutlich langsamer arbeitet, reicht sie für die Geschwindigkeiten von Magnetplatten aus und genügt auch bei SSDs, wenn die Server-Dienste eher selten auf den Datenträger zugreifen. Zudem reduzieren SATA-Geräte nicht die Anzahl der verfügbaren PCI Express Lanes, die dann beispielsweise für KI-Beschleunigerkarten bereitstehen. Benötigt man die hohe Speicherkapazität von Festplatten in größeren und leistungsfähigeren Servern, sollten hingegen SAS-Modelle zum Einsatz kommen. Sie arbeiten gegenüber SATA noch einmal schneller.

Weitere Informationen zu NVMe und SATA SSDs

• Podcast zu NVMe-SSDs
• NVMe-Grundlagen im Thomas-Krenn-Wiki
• SATA- und SAS-Medien mischen
• SATA-Kabel und -Stecker

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