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PCIe-SSD

Eine PCIe-SSD (PCIe Solid-State Drive) ist eine Hochgeschwindigkeits-Erweiterungskarte, die einen Computer mit seinen Peripheriegeräten verbindet. PCIe, die Abkürzung für Peripheral Component Interconnect Express, ist ein serieller Erweiterungsbusstandard. PCIe-Steckplätze können unterschiedlich groß sein, je nach Anzahl der bidirektionalen Lanes, die mit ihnen verbunden sind.

Zu den wichtigsten Vorteilen von PCIe-SSDs gegenüber den alternativen serverbasierten Serial-ATA-Laufwerken (SATA) gehören bessere Kompatibilität, höhere Geschwindigkeit und Speicherkapazität. PCIe-SSDs werden für Komponenten wie Grafikkarten verwendet und sind ideal für Benutzer, die die schnellste Leistung und niedrigste Latenz benötigen.

PCIe-SSD-Speicher ist eine Alternative zum serverseitigen Flash-Einsatz. PCIe dient als zugrunde liegende Transportschicht für Daten auf Grafikkarten oder Add-in-Karten. Sie integrieren Flash direkt in ein Server-Motherboard und eine PCIe-Schnittstelle. Jedes PCIe-Gerät ist über eine eigene serielle Verbindung mit dem Host verbunden, so dass ein gemeinsamer Bus nicht erforderlich ist. Die Punkt-zu-Punkt-Architektur (Point-to-Point) senkt die Latenzzeit und erhöht die Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen Server und Speicher.

PCIe-Formfaktoren und Einsatzgebiete

PCIe ist einer von vier SSD-Formfaktoren. Im Allgemeinen haben PCIe-basierte Solid-State-Speicher eine bessere Leistung als SATA-, Serial-Attached-SCSI- (SAS) oder Fibre-Channel-SSDs.

Die Formatspezifikationen für PCIe-basierte Geräte werden von der PCI Special Interest Group (PCI-SIG) entwickelt und gepflegt. PCIe 3.0 wurde im November 2010 veröffentlicht. PCIe 4.0, das 2017 veröffentlicht wurde, verdoppelte die Bandbreite der Vorgängerversion. Im Mai 2019 kündigte die PCI-SIG die Veröffentlichung von PCIe 5.0 an.

Die PCIe 6.0-Spezifikation mit der Bezeichnung Version 0.71 wurde für die Mitglieder der PCI-SIG zur Überprüfung bis zum 2. Juli 2021 freigegeben. Die Spezifikation 6.0 soll bis Ende des Jahres vollständig veröffentlicht werden. Dieser neueste Busstandard verdoppelt die Datenrate und Bandbreite der PCIe 5.0-Spezifikation.

Abbildung 1: Die verschiedenen PCIe-Standards und ihre Leistungsmerkmale im Überblick.
Abbildung 1: Die verschiedenen PCIe-Standards und ihre Leistungsmerkmale im Überblick.

PCIe 6.0 hat eine Gigatransferrate von 64 Gigatransfers pro Sekunde (GTps) mit Puls-Amplituden-Modulation mit 4 Ebenen (PAM4) Codierung. Zum Vergleich: PCIe 5.0 arbeitet mit 32 GTps bei 128b/130b-Codierung, PCIe 4.0 mit 16 GTps bei 128b/130b-Codierung und PCIe 3.0 mit einer Gigatransferrate von 32 GTps, ebenfalls bei 128b/130b-Codierung.

PCIe 6.0 verfügt außerdem über eine Forward Error Correction mit geringer Latenz zur Verbesserung der Bandbreite, eine Flow Control Unit für die Kodierung und Abwärtskompatibilität mit früheren Generationen der PCIe-basierten Technologie.

Unterstützung für PCIe-SSDs, die für die NVMe-Spezifikation (Non-Volatile Memory Express) entwickelt wurden, ist in Vorbereitung. Das NVMe-Protokoll bietet einen optimierten Befehlssatz für den Zugriff auf ein PCIe-SSD. NVMe nutzt die Parallelität des PCIe-Standards, um die Leistung zu beschleunigen.

Die PCI-SIG hat auch Standards für M.2-SSDs entwickelt, die PCIe-Konnektivität für kleine Formfaktoren bieten, die für intern montierte Erweiterungskarten konzipiert sind. Die M.2-Spezifikation hat den mSATA-Formfaktor ersetzt. M.2 SSDs sind mit vier Lanes mit PCIe 3.0-Bandbreite ausgestattet.

Zu den wichtigsten Anwendungsfällen für PCIe-Flash gehören Anwendungen mit Lese- und Schreibzugriffen, die in zehn Mikrosekunden gemessen werden. Diese reduzierte Latenz bedeutet schnellere Reaktionszeiten für die Verarbeitung großer Arbeitslasten, die mit Online-Transaktionsverarbeitung und Data Warehousing verbunden sind. Rechenzentrenverwenden PCIe-Flash, um die intensiven I/O-Anforderungen dieser Arbeitslasten zu erfüllen.

Abbildung zwei zeigt das Beispiel einer PCIe-SSD, hier von Intel.
Abbildung zwei zeigt das Beispiel einer PCIe-SSD, hier von Intel.

Unterschiede zwischen PCIe-SSDs und SATA-SSDs

Wie bereits erwähnt, vermeiden PCIe-angeschlossene SSDs die Engpässe, die mit SATA- oder SAS-angeschlossenen SSDs verbunden sind. Die Anzahl der PCIe-Lanes pro SSD bestimmt die Datenübertragungsgeschwindigkeit. Ein Gerät mit 16 Lanes, das auf der PCIe 3.0-Spezifikation basiert, kann etwa 32 Gigabyte pro Sekunde (GB/s) unterstützen. Im Gegensatz dazu bieten SSDs, die mit einem SATA-III-Controller gebaut wurden, eine maximale Übertragungsrate von etwa 600 Megabyte pro Sekunde (MB/s).

Die SATA v3.2-Spezifikation definiert SATA-Express-Anschlüsse für Host- und Geräteanschlüsse, die gleichzeitig SATA- und PCIe-Protokolle unterstützen. SATA-SSDs haben viel bessere Hardware-Fähigkeiten, aber sie haben eine schlechtere relative Leistung. SATA-SSDs bieten zwar Geschwindigkeiten von 600 MB/s, sind aber nicht annähernd so schnell wie PCIe-SSDs.

Wenn maximale Leistung für häufige Dateiübertragungen erforderlich ist, ist PCIe wahrscheinlich die effizienteste Option. Wenn jedoch das Budget eine Rolle spielt, ist SATA viel kosteneffizienter. PCIe-SSDs kosten mehr pro Gigabyte als SATA-SSDs.

Nachteile von PCIe-SSDs

Der PCIe-Multipurpose-Bus überträgt verschiedene Daten an den Prozessor. Trotz seiner inhärenten Leistungsvorteile sind die Kosten pro Gigabyte bei PCIe-SSDs höher als bei herkömmlichen SSDs.

Das Fehlen von Standard-Speicherbefehlen ist ein weiterer Nachteil. Hersteller von PCIe-SSD-Geräten müssen einen eigenen Softwaretreiber für Betriebssysteme schreiben und qualifizieren.

PCIe-SSDs haben außerdem in der Regel eine viel kürzere Akkulaufzeit. Wenn jemand jedoch im Internet surft, E-Mails sendet oder etwas tut, das CPU- oder RAM-intensiv ist, wird er möglicherweise keinen großen Unterschied zwischen SATA- und PCIe-SSDs bemerken.

Kosten und Markt für PCIe-SSDs

Die Preise für PCIe-SSDs unterscheiden sich je nach Marke und verfügbaren Modellgrößen (Stand 2021). Zum Vergleich: Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels kostete die NVMe Gen3 PCIe SSD von SK Hynix Inc. 74,99 US-Dollar für ein 500-GB-Laufwerk beziehhungsweise 134,99 US-Dollar für ein 1-Terabyte-Laufwerk (TB). Ebenso kostet die Samsung 980 PRO PCIe 4.0 NVMe 79,99 US-Dollar für das 250 GB-Modell, 119,99 US-Dollar für das 500 GB-Modell, 197,00 US-Dollar für das 1-TB-Modell und 429,99 US-Dollar für das 2 TB-Modell.

Weitere Beispiele für PCIe-Modelle sind:

  • Adata XPG Spectrix S40G. Die Adata XPG Spectrix S40 PCIe M.2 SSD bietet sequenzielle Lesegeschwindigkeiten von bis zu 3.500 MB/s und Schreibgeschwindigkeiten von bis zu 3.000 MB/s. Sie ist in den Größen 256 GB, 512 GB, 1 TB und 2 TB erhältlich.
  • Seagate FireCuda 510. Diese M.2-NVMe-SSD bietet sequenzielle Lesegeschwindigkeiten von bis zu 3.400 MB/s für die 1-TB- und 2-TB-Modelle. Die Schreibgeschwindigkeiten unterscheiden sich jedoch bei den 1-TB- und 2-TB-Modellen und liegen bei 3.050 respektive 3.200 MB/s.
  • Crucial P5. Diese PCIe-SSD bietet sequenzielle Lesegeschwindigkeiten von bis zu 3.400 MB/s und Schreibgeschwindigkeiten von bis zu 3.000 MB/s, außer beim 250-GB-Modell, das sequenzielle Lesegeschwindigkeiten von bis zu 3.400 MB/s und Schreibgeschwindigkeiten von bis zu 1.400 MB/s bietet. Diese PCIe-SSD ist in den Größen 250 GB, 500 GB, 1 TB und 2 TB erhältlich.
Diese Definition wurde zuletzt im September 2021 aktualisiert
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