AHCI vs NVMe - die Protokolle

Um eine SSD ansprechen zu können, muss das Betriebssystem das passende Interface unterstützen: Sata setzt auf AHCI (Advanced Host Controller Interface), das ursprünglich für Festplatten entwickelt wurde. Anders als beim früheren PATA alias IDE gibt es hier Verbesserungen wie Native Command Queuing (NCQ), um HDDs zu beschleunigen. Eine native Unterstützung für AHCI ist seit Windows Vista und Linux-Kernel 2.6.19 gegeben, für Windows XP sind passende Treiber notwendig - ansonsten gibt es einen Bluescreen.

Während Sata auf AHCI als Protokoll festgelegt ist, wird bei PCIe mittlerweile nur noch NVMe (Non Volatile Memory Express) genutzt - einzig einige frühe Modelle wie Samsungs XP941 liefen mit AHCI. Aktuelle SSDs, egal ob im M.2-, U.2- oder AIC-Format, werden daher mit NVMe angesteuert. Seitens des Betriebssystems gibt es eine (Boot-) Unterstützung von Chrome OS seit Anfang 2014, seit Linux-Kernel 3.3 von 2012, in MacOS seit Yosemite v10.10.3 von 2015 und seit Windows 8.1 sowie zudem rückwirkend per Hotfix für Windows 7. Damit dieser funktioniert, muss er in ein Installationsmedium integriert werden. Intel und Samsung bieten eigene Treiber für Windows 7 und neuer an, die (Performance-) Unterschiede zum generischen von Microsoft sind jedoch gering. Sie werden aber teils für Wartungsaufgaben wie Firmware-Updates oder Secure Erase benötigt.

Anders als AHCI wurde NVMe von Beginn an mit dem Fokus auf PCIe-basierte SSDs entwickelt und implementiert daher viele Funktionen, die für Flash- oder anderen nicht-flüchtigen Speicher wie Intels 3DXP gedacht sind: Die Anzahl der Befehlswarteschlangen steigt von einer auf 64.000 und die Tiefe (Queue Depth) von 32 auf 64.000 Kommandos, wodurch SSDs deutlich besser ausgelastet und nicht durch einen einzelnen Prozessorkern limitiert werden. Außerdem benötigt NMVe drastisch weniger CPU-Zyklen im Treiber-Stack, was die Latenz massiv verringert.

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Vergleich von AHCI und NVMe (Bild: Intel)

Von NVMe-SSDs, deren multiplen sowie tiefen Befehlswarteschlangen, der geringen Latenz und der hohen Maximalgeschwindigkeit durch PCIe profitieren vor allem Anwendungen und Systeme im Server-Segment. Gerade wenn viele wahlfreie Zugriffe schnellstmöglich erfolgen müssen, ist der Vorteil immens, etwa bei virtuellen Maschinen oder Datenbanken. Heutzutage setzen alle Enterprise-Hersteller auf NVMe-SSDs, wobei für einige äußerst latenzkritische Szenarien statt Flash-basierten Drives schon der Wechsel auf 3D-Xpoint-basierte Modelle erfolgt ist.

• AHCI wurde einst für Festplatten ausgelegt, NVMe wurde hingegen mit Blick auf PCIe-SSDs entwickelt.
• NVMe weist deutlich geringere Latenzen auf, benötigt weniger CPU-Zyklen und hat mehr sowie tiefere Befehlswarteschlangen.
• Treiber sind in allen üblichen Betriebssystemen integriert, einige Hersteller bieten jedoch eigene an.