Vergleichstabelle der Datenraten von SATA- und PCIe-Schnittstellen.

Datenraten der SATA- und PCIe-Schnittstelle im Vergleich. (Bild: Swissbit)

Das SATA-Interface

SATA (Serial ATA) ist seit dem Jahr 2000 maßgeblich von Intel für den PC-Markt entwickelt worden. Durch die Punkt-zu-Punkt-Verbindung und den seriellen Datentransfer wurde Raum geschaffen für eine stetige Verbesserung der Datenrate: von der ersten SATA-Implementierung mit 1,5 Gbit/s über SATA Revision 2.x (3,0 Gbit/s) zu Revision 3.x mit 6,0 Gbit/s, was netto ca. 600 Mbyte/s bedeutet. Dabei wurde SATA industrieweit für sämtliche Speichersegmente eingesetzt.

Die PCIe-Schnittstelle

2003 wurde die PCIe Revision 1.0 eingeführt mit einer Übertragungsrate von 2,5 Gbit/s. Der Datentransfer geschieht vergleichbar zu SATA über eine bidirektionale Verbindung (Lane) mit einem differentiellen Signalpaar pro Richtung. Mehrere zusammengefasste autarke Lanes erhöhen die verfügbare Datenrate für ein angeschlossenes Gerät. Die Anzahl der Lanes in einem Steckplatz bzw. an einem Gerät wird mit den Kürzeln x1, x4, x8 bzw. x16 symbolisiert. Als Beispiel bietet ein x8 Host Slot demnach 8 PCIe Lanes und kann sowohl x1-, x4-, x8- als auch x16-Geräte ansprechen. Die maximal nutzbare Anzahl wird jeweils zwischen PCIe Host und Gerät ausgehandelt und entsprechend selektiert.

Wie bei SATA bot die serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung der PCIe Lanes viel Potenzial für die Erhöhung der Transfergeschwindigkeit, wie in Bild 1 bis einschließlich der Generation 4.0 dargestellt. Die nächsten Generationen PCIe 5.0 mit 32 und PCIe 6.0 mit 64 GT/s sind in Vorbereitung bzw. Entwicklung. Eine 4-Lane-PCIe-3.1-Verbindung kann theoretisch 32 GT/s durchführen und dabei ca. 3,9 GB/s Nutzdaten transferieren. Eine 2-Lane-PCIe-Gen3-Verbindung ist auf 1,9 GB/s limitiert. Doch selbst mit einer Single Lane auf 980 MB/s ist man um 50 % schneller als die SATA-Schnittstelle.

AHCI (Advanced Host Controller Interface) versus NVMe (Non Volatile Memory Express)

Bisher wurden die elektrischen Verbindungen zwischen Host-Controller und Peripheriegerät betrachtet. Um nicht für jedes Speichermedium einen eigenen Treiber zu benötigen, wurden offene Schnittstellenstandards geschaffen: Für SATA-Geräte entwickelte sich im Laufe der Zeit der AHCI-Standard (Advanced Host Controller Interface), der sowohl Festplatten als auch SSDs unterstützt. Native Command Queuing (NCQ) und SSD-spezifische Erweiterungen wie z. B. Trim kamen später in AHCI hinzu.

Für PCIe-SSDs wurde der NVMe (Non Volatile Memory Express) -Befehlssatz entwickelt – ein Protokoll, zugeschnitten auf die hohe Performance von SSDs mit einer schlanken Befehlsstruktur. Ein neues Feature von NVMe sind die sogenannten Namespaces. Dafür wird jedem Host eine entsprechende Identität (Namespace ID) zugewiesen, die diesem ermöglicht, einen Teil der SSD anzusprechen, als sei dies eine ihm allein zustehende SSD. Diese Virtualisierung trennt verschiedene Bereiche einer physischen SSD in nicht überlappende Regionen auf, die unabhängig voneinander angesprochen werden können. Die Namespaces verhindern, dass verschiedene Prozesse auf Daten eines anderen zugreifen können. Dies ist besonders bei Servervirtualisierungen wichtig und bekommt gerade in der Automobilindustrie hohe Bedeutung: Durch Namespaces können völlig unterschiedliche Funktionsbereiche wie autonomes Fahren, Navigation, Car Entertainment sicher voneinander getrennt und trotzdem auf einer großen SSD abgebildet werden. Die Virtualisierung direkt im NVMe-Speichermedium ist deutlich performanter und sicherer als in einer Softwarevirtualisierungslösung.

Bereits nach der Betrachtung der elektrischen Verbindungen und verwendeten Protokolle lässt sich feststellen, dass PCIe moderner, angepasster und flexibler ist als SATA und zudem das Potenzial zu weiterer Performance-Erhöhung bietet.

Die SSD-Formfaktoren und ihre Einsatzbereiche

Im folgenden Abschnitt werfen wir einen Blick auf die Entwicklung von SSD-Formfaktoren für beide Schnittstellenstandards, die sich in den meisten Fällen direkt aus den Anforderungen der jeweiligen Einsatzgebiete ergeben.

SATA-SSDs wurden zunächst als Ablösung von HDDs im 2,5-Zoll-Format mit 7 bzw. 9 mm Bauhöhe angeboten. Mit diesen Abmaßen erlaubt das Format höchste Speicherkapazitäten oder im Serverbereich Hot-Plug-Fähigkeit. Im Small-Form-Factor-Bereich, der vorwiegend bei Embedded Boards und in der Industrie benötigt wurde, ist eine 2,5-Zoll-SSD zu groß. Vorwiegend um die Kompatibilität mit dem SATA-Stecker zu behalten, wurde die Variante SlimSATA (MO-297) entwickelt, die mit 54 mm × 39 mm nur 30 % der Fläche benötigt. Die zweite Variante ist das mSATA-Modul (MO-300), welches den miniPCI-Sockel nutzt und mit 50,8 mm × 29,85 mm nur noch 22 % der Fläche benötigt.

Aus den Vorteilen der mSATA entstanden die M.2-Module, anfangs NGFF (New Generation Form Factor) bezeichnet, mit 22 mm Breite und den Längen 30, 42, 60, 80 oder 110 mm. Je nach benötigter Kapazität hat sich der 2242- und der 2280-Typ durchgesetzt mit 13 % bzw. 25 % Fläche.

Die M.2-Module werden vorwiegend in PCs, Notebooks, Ultrabooks und Small Form Factor Boards verwendet, sind aber aufgrund der einfachen kleinen Befestigung am freien Modulende anfällig gegen Schock und Vibrationen. Aus diesem Grund werden bei Systemen, die rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, nach wie vor mSATA- oder SlimSATA-Module eingesetzt, welche über zwei bis vier Befestigungsmöglichkeiten verfügen. Die SATA-Produktvarianten werden erweitert durch den CFast-Formfaktor als austauschbares Medium im Compact-Flash-Kartenformat (Bild 2).

Schnittstellen in zwei Formfaktoren
Bild 2: Zwei Formfaktoren, eine Schnittstelle: CFast-Karte und M.2-SATA-SSD-Modul mit SATA-III-Schnittstelle. (Bild: Swissbit)

PCIe-SSDs haben ihre Hauptverwendung in PCs, Notebooks und Servern. Für erstere hat sich das M.2-Format durchgesetzt mit Gen3 x2 oder x4 Lanes. Der Unterschied ist an der Anzahl an Kerben im Stecker erkennbar: eine Kerbe bedeutet x4, 2 Kerben entweder SATA oder PCIe x2. Der M.2-Formfaktor ist auch die erste Wahl bei Embedded-Boards. Standard ist M.2 mit der Bauform 2280. Nur dort, wo der Platz sehr eingeschränkt ist, werden 2242 oder sogar 2230 eingesetzt (Bild 3).

Auch für PCIe gibt es austauschbare Karten. Die CFexpress-Karte bietet x2 PCIe und ist etwas schmaler und dünner als eine CFast-Karte. Selbst bei SD-Karten ist eine Version für PCIe definiert: SD Express. Da diese rückwärtskompatibel zu SD Memory Cards ist, muss ein Dual-Mode-Controller eingesetzt werden. Es wird sich zeigen, ob dies von der Industrie angenommen wird.

Für Workstations gibt es PCIe-SSDs im Einsteckkartenformat (AIC = Add In Card). Sie verwenden vier, acht oder 16 Lanes und liefern höchste Performance. Die Karten nutzen den x8 oder x16 PCIe Slot und besitzen meist eine hohe Kapazität.

Industrietaugliche PCIe-SSD-Module
Bild 3: Industrietaugliche PCIe-SSD-Module in den Formfaktoren M.2 2280, M.2 2242 und M.2 2230 (v. l. n. r.). (Bild: Swissbit)

Auch bei Servern hat sich PCIe bereits durchgesetzt – dank hoher Kapazitäten mit QLC und neuen Kartenformaten. Der anfängliche Formfaktor ist die PCIe-SSD mit 2,5-Zoll-Format. Die Variante mit x4 PCIe-Interface heißt U.2. Die Weiterentwicklung U.3 mit gleichem Stecker wie U.2, aber anderer Pinbelegung macht U.3-SSD- und SAS-HDD-Stecker kompatibel im gleichen Einbaurahmen, vorausgesetzt der Host-Controller kann beide Protokolle unterstützen. U.3-SSDs sind rückwärtskompatibel zu U.2-Einbauslots, umgekehrt gilt dies nicht. Für Enterprise- und Datacenter-Server wurden zudem eine Reihe neuer Formate, die sogenannten Ruler-SSDs, entwickelt. Sie sind auch bekannt als EDSFF-Standard, um Kühlung und Anzahl der Steckplätze zu optimieren (Bild 4).

In welchen Bereichen sich der Einsatz von SATA lohnt

Es lässt sich festhalten, dass PCIe gegenüber SATA in nahezu allen Bereichen überlegen ist, auch wenn z. B. die Vielfalt an Formfaktoren für SATA die langanhaltende Bedeutung der Schnittstelle unterstreicht. Und dennoch stellt sich die Frage, in welchen Bereichen sich der Einsatz von SATA auch heute noch lohnt.

Es ist unbestritten, dass bei entsprechend hoher Anzahl von Lanes die Performance von PCIe-SSDs ein Vielfaches der von SATA-SSDs erreicht. Allerdings wird dann auch eine entsprechend hohe Anzahl von parallelen NAND-Flash-Kanälen auf der Geräteseite benötigt: Die praktisch erreichbaren Datenraten bei einer 16-GB-SSD (1 × 128-Gbit-Chip) liegen bei ca. 100 GB/s fürs Schreiben und 300 GB/s fürs Lesen. Mit 32 GB (1 × 256-Gbit-Chip) verdoppelt sich die Kapazität bei unveränderter Datenrate. Erst ab 64 GB (2 × 256-Gbit-Chips) werden 200 GB/s beim Schreiben und 600 MB/s beim Lesen erreicht. Mit 128 GB (4 × 256-Gbit-Chips) ergeben sich 400 MB/s beim Schreiben und 1200 MB/s beim Lesen.

Für die theoretisch erreichbaren 3,9-GB/s-Lesedatenrate eines 4-Lane-PCIe-Moduls wären also 16 parallele 256-Gbit-Chips nötig mit 512 GB Kapazität. Für Server, Workstations oder High-End-Anwendungen ist diese Anforderung kein Problem. Bei Industrieanwendungen oder Boot-Laufwerken von Netzwerksystemen reichen jedoch oft Kapazitäten von weit weniger als 128 GB Speicherdichte aus. Für die damit realisierbaren Datenraten ist SATA völlig ausreichend. Warum es dann auch die bessere Wahl ist, wird im Folgenden klar.

Thermisches Verhalten von SATA und PCIe

An dieser Stelle kommt nun auch einer der unbestreitbaren Vorteile von SATA zum Tragen: Da SATA nur einen Transferkanal nutzt, verbrauchen SATA-Controller weniger Strom und erzeugen somit weniger Abwärme als vergleichbare PCIe-Module. Nahezu alle PCIe-Module im Markt nutzen ein sogenanntes Thermal Throttling (Thermisches Drosseln) der Datenrate, um den Controller vor Überhitzung zu schützen. Bei steigenden Temperaturen wird in mehreren Schritten die Datenrate reduziert, unter Umständen sogar bis zu 1/10 der spezifizierten Werte. In einem solchen Fall ist der Vorteil von PCIe hinfällig geworden.


Soll also eine SSD in Anwendungen eingesetzt werden, die einen erweiterten Temperaturbereich (bis 85 °C) voraussetzen, so sollte im Vorfeld untersucht werden, ob das Temperaturmanagement noch eine ausreichende Datenrate zulässt. Im Speziellen reagieren lüfterlose Systeme empfindlich auf die internen Modultemperaturen und somit helfen PCIe-SSDs diesen nicht, die Systemspezifikation zu verbessern. Mit SATA-Modulen hingegen ist man hier auf der sicheren Seite. Vor allem, weil die Eigenerwärmung des Controllers nicht zusätzlich für eine Drosselung sorgt. Zudem erlaubt SATA eine Datenleitungslänge von einem Meter, wodurch sich die SSD in ungekühlten Systemen weit von großen Wärmequellen wie z. B. der CPU absetzen lässt, während ein PCIe-Modul in der Regel direkt in das Mainboard gesteckt wird. Es ist zu bedenken, dass eine Aufheizung zu unnötigem Verschleiß der Flash-Zellen führt, weil die gespeicherten Bits bei sehr hohen Temperaturen oft aufgefrischt werden müssen.

PCIe/NVMe-Formfaktoren
Bild 4: Unterschiedliche Formfaktoren und Einsatzbereiche: Während U.2, EDSFF und NF1 mit PCIe/NVMe für Enterprise-Anwendungen (orange) prädestiniert sind, ist der M.2-Formfaktor in den Abmessungen bis 80,0 mm vor allem in Industrie- und Mainstreamanwendungen verbreitet und auch mit SATA-Schnittstelle verfügbar. (Bild: Swissbit)

Fazit: PCIe und SATA

Mit Blick auf die Leistungsfähigkeit und Vielfältigkeit der Einsatzgebiete bietet PCIe in fast allen Bereichen deutliche Vorteile. Insbesondere bei Industrie- und Telekommunikationsanwendungen besteht jedoch nach wie vor ein Bedarf an SATA-Produkten. Die Gründe hierfür liegen in den geringeren Kapazitätsanforderungen, dem oft erweiterten Temperaturbereich und rauen Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel Vibrationen. So lässt sich der konventionelle 2,5-SATA-Stecker verriegeln und garantiert eine sichere Verbindung. Hinzu kommt die Langlebigkeit von Industriesystemen, was eine anhaltende Nachfrage nach SATA-SSDs nach sich zieht. Eine lange Koexistenz beider Schnittstellenstandards ist demnach auch in Zukunft sehr wahrscheinlich. Die Auswahl der passenden Lösung sollte in jedem Fall je nach Anwendungsfall und erst nach eingehender Beratung getroffen werden.

Als Spezialist für Embedded- und Industriespeicherlösungen bietet Swissbit alle SATA-Produkte in den genannten Formfaktoren sowie PCIe-Lösungen in M.2-, BGA- und CFexpress-Versionen an. Weitere PCIe-Typen sind in Entwicklung. (neu)

Autor

Autor Roger Griesemer

Roger Griesemer ist General Manager Memory Solutions bei Swissbit.

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