NVM Express wurde von 2008 bis 2011 entwickelt, um die Protokolle Serial Advanced Technology Attachment (SATA) und Serial Attached SCSI (SAS) zu ersetzen. Die Latenz- und Leistungsverbesserungen von NVMe im Vergleich zu seinen Mitbewerbern trugen zur Entwicklung anderer wichtiger Technologien bei, darunter das Internet der Dinge (IoT), künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML). 

Heutzutage fordern Benutzer von ihren Anwendungen schnellere Reaktionszeiten als je zuvor. Das NVMe-Protokoll wurde entwickelt, um unabhängig von der Art der Anwendung, die ein Benutzer einsetzt, eine hohe Leistung, hohe Bandbreite und geringe Latenz zu bieten. NVMe-SSDs greifen in erster Linie über einen PCIe-Bus (Peripheral Component Interconnect Express) auf den Flash-Speicher zu, wodurch der „zwischengeschaltete“ Controller entfällt und die Latenzzeit verringert wird. NVMe-SSDs können jedoch auch auf jeder Art von „Fabric“-Verbindung – wie Fibre Channel und Ethernet – und innerhalb von Ethernet, iWarp, RoCEv2, iSER und NVMe-TCP laufen.

NVMe-SSDs können Zehntausende paralleler Befehlswarteschlangen ausführen und Programme schneller ausführen als Laufwerke, die über das SCSI-Protokoll verbunden sind und nur eine einzige Befehlswarteschlange bereitstellen können. Die Verbindungsmethode ist unabhängig vom Protokoll, z. B. kann NVMe PCIe über einen PCIe-Link, auf dem das NVMe-Protokoll ausgeführt wird, ein einzelnes Laufwerk verbinden.

NVMe wurde für hochleistungsfähige, nichtflüchtige Speichermedien entwickelt und ist damit ideal für die anspruchsvollen, rechenintensiven Umgebungen von heute, wie z. B. Grafikbearbeitungssoftware, Cloud-Computing-Umgebungen, Firmware und große Datenbanken. NVMe bewältigt Unternehmens-Workloads  schnell und effizient mit einem geringeren Infrastrukturbedarf und weniger Stromverbrauch als SCSI.

Während Festplatten (HDDs) die branchenweit bevorzugte Methode zum Speichern und Zugreifen auf Daten waren, waren SATA und SAS geeignete Lösungen. Beide Technologien wurden als SCSI-Speicherschnittstellen entwickelt, um die Übertragung von Daten auf und von HDDs zu erleichtern. SAS verbindet ein einzelnes Laufwerk über einen SAS-Port, der das SCSI-Protokoll ausführt und dann mit einem PCIe-Link verbindet. SATA verbindet ein einzelnes Laufwerk über einen SATA-Port mit dem ATA-Protokoll über einen ATA-Controller, der sich dann mit einem PCIe-Link verbindet. 

Bis vor kurzem nutzten die meisten SSDs SAS oder SATA, um sich mit dem Rest eines Computersystems zu verbinden. Mit dem Aufkommen der Solid-State-Technologie in der Speicherbranche wurden SAS und SATA jedoch immer unpassender, da sie für die Verwendung mit HDDs entwickelt worden waren. Laut einem Bericht der International Data Corporation (IDC) von 2023 wurde NVMe entwickelt, um die Datenübertragung an Systeme zu beschleunigen, die über einen PCI-Express verbunden sind, einen seriellen Erweiterungsbus, der zum Standard für den Anschluss eines Computers an ein oder mehrere Peripheriegeräte gehört. (2) 

Abgesehen davon, dass es speziell für die Verwendung mit SSDs entwickelt wurde, ist das Protokoll von NVMe schlanker als das von SCSI, was es zu einer besseren Lösung für Echtzeitanwendungen wie ML und KI macht. Mit der zunehmenden Beliebtheit von Cloud Computing-Umgebungen ist NVMe auch gut positioniert, um Hybrid Cloud-, Multicloud- und Mainframe-Speicherumgebungen aufgrund seiner integrierten Hochleistung und Datensicherheit zu unterstützen. 

Hier sind einige der Vorteile der Verwendung von NVMe-Speicher gegenüber SAS- oder SATA-Laufwerken:

Bessere Leistung: NVMe-Technologie kann einen PCIe verwenden, um SSD-Speicher direkt mit einem Server oder einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) zu verbinden. Diese deutliche Leistungsverbesserung hat die NVMe-Technologie zur bevorzugten Datenspeicher-/Übertragungsoption für Gamer, Videoeditoren und andere Benutzer gemacht, die eine höhere Leistung benötigen, als SAS- oder SATA-Festplatten bieten können.

Höhere Geschwindigkeit: NVMe-Laufwerke können viel höhere Geschwindigkeiten liefern als SAS- oder SATA-Laufwerke, da sie NVMe-Befehle schneller senden und empfangen und einen besseren Durchsatz erzielen können.

Höhere Kompatibilität: NVMe gilt allgemein als kompatiblere Option als SAS/SATA und wird häufig aktualisiert, da es zusammen mit so entscheidenden, schnelllebigen Technologien wie KI, ML und Cloud Computing entwickelt wird. Die NVMe-Technologie funktioniert problemlos mit allen modernen Betriebssystemen, einschließlich Mobiltelefonen, Laptops und Spielekonsolen.

Verbesserte Bandbreite: Die PCIe-Verbindung ist viel breiter und hat mehr Bandbreite als SAS- oder SATA-Ports. Außerdem verbessert sich dies mit jeder Generation und verdoppelt die Bandbreite der vorherigen Generation. SAS und SATA haben Verbindungen mit viel geringerer Bandbreite und sind fest installiert, sodass sie sich mit der Zeit nicht verbessern. Ein weiteres Merkmal, das die PCIe-Verbindungen unterscheidet, ist die Skalierbarkeit in „Lanes“. So können die Benutzer sogar in derselben Generation die Bandbreite mit der doppelten Anzahl von Lanes verdoppeln. 

Weitere Informationen zu NVMe und SATA finden Sie unter „NVMe vs. SATA: Was ist der Unterschied?“

Bis zur Einführung von SSDs und Flash-Speicher wurde SATA mit allen HDD-Speichersystemen verwendet. Als jedoch mobile Anwendungen, Videospiele und neue Technologien wie KI die Anforderungen an Computerumgebungen erhöhten, wurden die Grenzen von SATA deutlich. Vor allem die geringe Geschwindigkeit und Bandbreite von SATA verlangsamte die Übertragung großer Datenmengen, die für die Funktionalität neuer Anwendungen entscheidend waren.

NVMe wurde als bessere Datenspeicher-/Übertragungsoption als SATA für SSDs in Umgebungen erfunden, in denen große Datenübertragungen erforderlich waren, ohne die Verarbeitungszeiten zu verlangsamen. Mit NVMe können SSDs über den PCIe-Bus und einen M.2- oder U.2-Adapter direkt mit der CPU verbunden werden – genau wie bei einem SATA-Laufwerk. NVMe ermöglicht SSDs, sich direkt mit der CPU zu verbinden und große Datenmengen schnell zu lesen und zu schreiben.  

Um eine höhere Leistung zu erzielen, definiert NVMe eine Registerschnittstelle, einen Befehlssatz und eine Gruppe von Funktionen für PCI-basierte SSDs. Sobald die Verbindung über den PCIe-Bus hergestellt ist, ermöglicht das NVMe-Protokoll eine geringere Latenz und trägt zur Optimierung der E/A-Operationen pro Sekunde (IOPS) bei.

NVMe-Treiber unterstützen viele Arten von gängigen Betriebssystemen (OS), darunter Windows, Linux und MacOS. Darüber hinaus unterstützt das NVM-Protokoll alle Arten von NVM, einschließlich Flash-fähiger NAND SSDs. Schließlich verwendet NVMe parallele Befehlswarteschlangen und eine „Polling-Schleife“ anstelle des „Interrupt“-basierten Gerätetreibers seiner Vorgänger, was die Latenzzeit und den System-Overhead reduziert und hilft, CPU-Engpässe zu vermeiden, z. B. wenn eine Grafikkarte schneller arbeitet als die darunterliegende CPU.   

NVMe SSD-Formfaktoren

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal der NVMe-Spezifikationen ist der Formfaktor, d. h. die Art und Weise, wie Größe, Konfiguration und physisches Design die Kompatibilität mit anderen Geräten beeinflussen. Kürzlich entschied sich die Storage Networking Industry Association (SNIA), den Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF) zu etablieren, um einen vereinbarten, branchenweiten Rahmen für SSD-Technologie zu schaffen.

Der vereinbarte Standardformfaktor für eine SSD war 2,5 Zoll, was problemlos in den Laufwerksschacht der meisten Laptops und Desktops passt, wodurch NVMe-SSDs hochgradig kompatibel mit bestehender Technologie sind. Da das 2,5-Zoll-Laufwerk sowohl in privaten als auch kommerziellen Computerumgebungen weit verbreitet ist, ist der Austausch einer Festplatte durch eine NVMe SSD für Benutzer, die die Leistung ihres Systems verbessern möchten, einfach und unkompliziert.

m.2 NVMe-Laufwerke

M.2-SSDs sind ein weiterer physischer Formfaktor oder Anschluss, der in SSDs verwendet wird. Obwohl der Begriff häufig synonym mit NVMe verwendet wird, handelt es sich dabei um unterschiedliche Arten von Speichertechnologien. Während NVMe-SSDs an einen PCI-Steckplatz auf einer Hauptplatine angeschlossen werden, wodurch sie wesentlich höhere Datenübertragungsraten als ihre Konkurrenten erreichen, sind m.2-Laufwerke ein physischer Formfaktor bzw. Anschluss, der Hochleistungsspeicher in kleinen, stromsparenden Geräten wie ultradünnen Laptops und Tablets ermöglicht.

NVMe und dynamisches RAM

Dynamic Random Access Memory (DRAM) ist ein weit verbreitetes Random Access Memory (RAM), das auf Computern (PCs), Servern und Workstations genutzt wird. NVMe-SSDs gibt es sowohl in DRAM- als auch in DRAM-losen Varianten. NVMe-SSDs mit DRAM sind teurer und schneller als DRAM-lose und eine bessere Option für grafikintensive Anwendungen wie Foto- oder Videobearbeitungssoftware. NVMe ohne DRAM sind günstiger und langsamer, aber immer noch viel schneller als HDDs oder SATA-SSDs, was sie zu guten Optionen für Benutzer macht, die nicht so viel Geschwindigkeit oder Leistung für die von ihnen ausgeführten Anwendungen benötigen.