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Vier gängige SSD-Formfaktoren – und die besten Einsatzzwecke

SSDs sind in einer ganzen Reihe unterschiedlicher Formfaktoren erhältlich. Dieser Beitrag stellt die wichtigsten vor und zeigt Ihre Vor- und Nachteile sowie Einsatzmöglichkeiten.

Eine SSD wird oft durch ihren Formfaktor beschrieben, der sich auf die Größe und Gestalt des Laufwerks bezieht. SSD-Formfaktoren können allerdings mehr als nur die Abmessungen eines Laufwerks bedeuten. Der Formfaktor kann auch angeben, wie das Laufwerk mit einem Computer verbunden ist und wie Daten zwischen dem Motherboard und dem Laufwerk übertragen werden.

SSDs sind in einer ganzen Reihe von Formfaktoren erhältlich, wobei einige Typen mehrere Breiten- und Längenkombinationen unterstützen. Die vier gängigsten SSD-Formfaktoren auf dem heutigen Markt sind: 2,5-Zoll-SATA, mSATA, M.2 und Peripheral Component Interconnect Express (PCIe).

2,5-Zoll-SATA Formfaktor

Der 2,5-Zoll-SATA-Formfaktor basiert auf dem Serial Advanced Technology Attachment Standard. Der Standard wurde für die Verbindung und Übertragung von Daten zwischen Computer und Speichergeräten entwickelt. Für den Datentransfer verwendet der SATA-Standard serielle Übertragungstechnologien – im Gegensatz zum älteren parallelen ATA (PATA)-Standard, der auf parallele Übertragung setzt.

SATA kann viel schnellere Übertragungsraten als PATA liefern – nämlich 600 MBps im Vergleich zu 133 MBps. Im Gegensatz zu PATA unterstützt SATA externe Laufwerke und die Möglichkeit zum Hot-Swap. Darüber hinaus verwendet SATA viel dünnere Kabel, die einfacher zu handhaben sind. Die dünnen Kabel verbessern auch den Luftstrom innerhalb des Computers und ermöglichen es, mehr Anschlüsse im Rechner zu nutzen.

Der Unterschied zwischen SATA und PATA
Abbildung 1: Der Unterschied zwischen SATA und PATA

Viele SSD-Hersteller haben den 2,5-Zoll-SATA-Standard früh übernommen, weil er den Übergang von HDDs und SSDs erheblich erleichtert hat. Unternehmen konnten nicht nur schrittweise auf die neuen Laufwerke umstellen. Dank der 2,5-Zoll-Größe waren sie auch in der Lage, die SSDs problemlos in Laptop- und Desktop-Laufwerksschächte zu integrieren. Kein Wunder also, dass dieser Formfaktor der am häufigsten verwendete und erschwinglichste aller großen Player ist.

Ein 2,5-Zoll-SATA-Laufwerk nutzt ein SATA-Kabel zum Anschluss an das Motherboard des Computers. Es verwendet auch das Advanced Host Controller Interface (AHCI)-Busprotokoll für den Datentransfer zwischen Computer und Laufwerk. Das Protokoll ermöglicht erweiterte SATA-Funktionen wie Hot Swapping und natives Command Queuing, wodurch die gleichzeitige Bearbeitung von Datenanfragen auf einem Laufwerk optimiert wird.

Weil der SATA-Standard jedoch speziell für HDD-Festplatten entwickelt wurde, können SATA-Laufwerke die Durchsatzmöglichkeiten von SSDs nicht voll ausschöpfen. Der SATA-Interface-Connector liegt mit circa 6 Gbit/s weit unter dem vollen Potenzial der SSD.

mSATA Formfaktor

Einige Hersteller bieten eine kleinere Version der SATA-SSD an. Sie nennt sich mSATA, was kurz für mini-SATA steht. Das Laufwerk entspricht der mSATA-Schnittstellenspezifikation und ist für stromkritische Geräte wie Laptops, Tabletts und Notebooks ausgelegt. Die Spezifikation basiert auf der Abbildung von SATA-Signalen auf eine Karte, die direkt in einen mSATA-Sockel auf dem Motherboard gesteckt wird.

Das mSATA-Laufwerk nimmt etwa ein Achtel der Größe des 2,5-Zoll-SATA-Laufwerks ein. Trotz der viel geringeren Größe unterstützt es den gleichen SATA-Durchsatz von bis zu 6 Gbit/s. Das mSATA-Laufwerk ist aber nicht nur einer der kleineren SSD-Formfaktoren – es verbraucht auch weniger Strom, unterstützt Boot- und Shutdown-Funktionen und ist widerstandsfähiger gegen Stöße und Vibrationen. Der kleinere Formfaktor macht das mSATA-Laufwerk auch für kommerzielle Produkte wie Kioske, digitale Schilder, multifunktionale Drucker und Point-of-Sale-Geräte interessant.

 mSATA SSD
Abbildung 2: mSATA SSD

Um Daten zwischen Computer und Laufwerk zu übertragen, verlässt sich das mSATA-Laufwerk wie das 2,5-Zoll-SATA-Laufwerk auf den ATA-Befehlssatz. Die einzigen wirklichen Unterschiede zwischen den beiden Laufwerken sind ihre Größe und die Art und Weise, wie sie mit dem Motherboard verbunden sind.

M.2 Formfaktor

Im Jahr 2013 – wenige Jahre nach dem Erscheinen von mSATA – wurde der M.2-Formfaktor eingeführt. Dieser bietet eine kleinere SSD, übertrifft das mSATA-Laufwerk leistungsmäßig und speichert mehr Daten. Der neue Formfaktor – ausgesprochen M-dot-2 – kann die SATA- und PCIe-Schnittstellen-Anschlüsse sowie USB 3.0 unterbringen und entweder mit dem AHCI-Protokoll oder dem Non-Volatile Memory Express (NVMe)-Protokoll verwendet werden.

Der PCIe-Anschluss hat geringere Latenzen und höhere Übertragungsraten als ältere Bustechnologien wie SATA. Der besondere Vorteil: Mit PCIe hat jeder Bus eine eigene Verbindung, so dass er nicht um Bandbreite konkurrieren muss. Die Schnittstelle hat auch einen geringeren Platzbedarf.

Micron M600 SSD Formfaktoren (von links nach rechts): mSATA SSD, M.2 SSD (22 mm x 60 mm doppelseitig), M.2 SSD (22 mm x 80 mm einseitig) und eine 2,5-Zoll SATA SSD.
Abbildung 3: Micron M600 SSD Formfaktoren (von links nach rechts): mSATA SSD, M.2 SSD (22 mm x 60 mm doppelseitig), M.2 SSD (22 mm x 80 mm einseitig) und eine 2,5-Zoll SATA SSD.

Das NVMe-Protokoll, über das die Host-Software mit den NVMe-Subsystemen kommunizieren kann, ist für SSDs mit PCIe-Anschlüssen optimiert. NVMe umgeht viele der Einschränkungen älterer Speicherprotokolle und bietet gleichzeitig erhebliche Leistungs- und Durchsatzsteigerungen.

Im Gegensatz zum mSATA-Laufwerk unterstützt das M.2-Laufwerk mit Größen wie 22 mm x 60 mm oder 22 mm x 80 mm mehrere Breiten- und Längenkombinationen. Ein PCIe-basiertes M.2-Laufwerk, das NVMe verwendet, kann bis zu vier PCIe-Lanes unterstützen. Dadurch können die 6-Gbit/s-Beschränkungen von SATA- oder mSATA-Laufwerken überschritten werden. Der M.2-Formfaktor zielte ursprünglich auf Notebooks, Ultrabooks und Tablets, hat aber auch seinen Weg in einige Desktops gefunden.

M.2 SSD Modul-Schlüssel
Tabelle:M.2 SSD Modul-Schlüssel

Das M.2-Laufwerk wurde entwickelt, um die Vorteile der Highspeed-Funktionen von PCIe zu nutzen und wird oft als mSATA-Ersatz betrachtet. Zwar gibt es immer noch viele mSATA-SSDs. Aber wegen der Fähigkeit, Latenzzeiten zu reduzieren, IOPS zu erhöhen und den Stromverbrauch zu senken, hat sich das Interesse am SSD-Markt auf das M.2-Laufwerk verlagert.

PCIe Formfaktor

SSDs, die auf dem PCIe-Formfaktor basieren, nutzen die PCIe-Schnittstelle und das NVMe-Protokoll, um die SSD-Leistung zu maximieren. Das PCIe-Laufwerk wird mit dem Motherboard direkt über die PCIe-Erweiterungssteckplätze verbunden. Diese können von einer bis zu 32 Datenübertragungs-Lanes skaliert werden. Je mehr Lanes ein Laufwerk benutzt, desto besser ist die Leistung.

PCIe SSDs sind zwar die teuersten der vier wichtigsten SSD-Formfaktoren. Aber sie bieten die höchsten Geschwindigkeiten und übertreffen serverbasierte SATA- sowie seriell angeschlossene SCSI- und Fibre Channel (FC)-Laufwerke. Bis vor kurzem noch war PCIe in erster Linie für den Einsatz in Unternehmen gedacht. Aber das hat sich mit dem Einzug in den Consumer-Markt inzwischen geändert.

Das PCIe-Laufwerk nutzt eine Point-to-Point-Architektur, die die Datenübertragungsraten erhöht und gleichzeitig die Latenzzeiten senkt. Jedes PCIe-Laufwerk wird über eine eigene serielle Schnittstelle direkt mit dem Motherboard verbunden. Auf diese Weise müssen sich nicht mehrere Laufwerke den gleichen Bus teilen.

Abbildung 4: Beispiel einer PCIe SSD
Abbildung 4: Beispiel einer PCIe SSD

Das PCIe-Laufwerk ist größer als das M.2-Laufwerk. Dadurch ist es möglich, mehr Chips auf jede Karte zu montieren. Gleichzeitig steht viel Platz für die Kühlung zur Verfügung. Aufgrund ihrer Größe sind die Laufwerke eher für Desktops und Server als für kleinere Geräte geeignet – und können damit auch wesentlich höhere Kapazitäten unterstützen. Einige SSDs überschreiten bereits die 8-TByte-Marke, größere Kapazitäten werden in Kürze erwartet. Das M.2-Laufwerk hat erst kürzlich die 1-TByte-Grenze durchbrochen.

Eine der Herausforderungen bei PCIe-Laufwerken war, dass das NVMe-Protokoll auf direkt angeschlossene Laufwerke beschränkt war. Unternehmen, die in erster Linie verteilten Speicher genutzt haben, konnten daher kaum von einem NVMe-Laufwerk profitieren. Die NVMe over Fabrics (NVMe-oF)-Spezifikation – die sich erst vor kurzem etablierte – ermöglicht es aber nun, die Vorteile von NVMe über Netzwerk-Fabrics wie Ethernet, InfiniBand und FC hinweg zu nutzen. Das NVMe-oF-Protokoll verwendet eine nachrichtenbasierte Kommunikation, um Daten zwischen dem Computer und den mit dem Netzwerk verbundenen Laufwerken zu übertragen. Auf diese Weise können Unternehmen die Vorteile von SSDs in ihren Rechenzentren voll ausschöpfen.

Was kommt als Nächstes bei den SSD-Formfaktoren?

Der Markt für Solid-State Storage ist sehr dynamisch und es gibt fast täglich Innovationen. Wie geht es weiter? Die Formfaktoren werden sich weiterentwickeln, ebenso wie die Schnittstellenanschlüsse und die Busprotokolle, die sie unterstützen. Die hier beschriebenen Formfaktoren sind auch nicht die einzigen – es gibt noch viele weitere SSD-Formfaktoren, mit Abweichungen von den hier beschriebenen.

Einige Hersteller bieten zum Beispiel U.2-Drives an – hauptsächlich für den Enterprise-Markt. U.2-Laufwerke haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber M.2-Drives. Trotzdem nutzen die meisten SSDs weiterhin die 2,5-Zoll-Formate SATA, mSATA, M.2 und PCIe. Aber es ist sicher nur eine Frage der Zeit, bis etwas Neues kommt und sich am Markt etablieren wird.

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Das ist wichtig für SSD-Geschwindigkeiten

Auf dem Vormarsch im Markt: M.2-SSDs

Artikel wurde zuletzt im September 2018 aktualisiert

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