M.2 und Samsung XP941 im Test: Lauf, SSD, lauf!

Intels Haswell Refresh und die M.2-Schnittstelle machen Schluss mit der 550-MByte/s-Grenze von Sata-6-GBit/s: Die neuen Chipsätze binden Solid State Drives mit PCIe an, SSDs erreichen so 800 MByte/s. In eine PCIe-Karte gesteckt überträgt Samsungs XP941 bis zu 1,2 GByte/s.

11. Mai 2014 um 09:01 Uhr / Marc Sauter , Nico Ernst

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Der Next Generation Form Factor, heute M.2-Schnittstelle. (Bild: Michael Wieczorek/Golem.de) — Der Next Generation Form Factor, heute M.2-Schnittstelle. Bild: Michael Wieczorek/Golem.de

Apple hat es mit den Macbooks und dem Mac Pro vorgemacht: Die Zukunft gehört Solid State Drives mit PCIe-Anbindung, weil heutige SSDs vom Sata-Interface ausgebremst werden und dadurch nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Effizienz leidet. Derzeit sind praktisch alle für Endkunden verfügbaren SSDs an die Sata-6-GBit/s-Schnittstelle angeschlossen.

Zwar gibt es PCIe-Steckkarten, diese sind jedoch pro GByte Speicherkapazität weitaus teurer. Die neue, PCIe-basierte M.2-Schnittstelle schließt die Lücke zwischen diesen Steckkarten und den Sata-SSDs: Sie bietet eine höhere Geschwindigkeit für einen geringeren Preis. Ärgerlich ist einzig Intels halbherzige Umsetzung, die schnelle M.2-SSDs schon heute ausbremst.

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PCIe-Lanes sind in praktisch allen Prozessoren und Chipsätzen vorhanden, die Leistungsaufnahme ist gering und die Geschwindigkeit hoch. Grundlage der neuen M.2-Schnittstelle ist die Sata-3.2-Spezifikation mit bis zu vier PCIe-3.0-Lanes und einer Übertragungsrate von bis zu 4 GByte/s.

Kurztest der M.2-Schnittstelle und der Samsung-SSD XP941 (01:04)

Intels Chipsätze (genauer: Platform Controller Hubs) der neunten Generation wie der Z97 bieten eine native M.2-Schnittstelle. Einst wurde der dazugehörige Steckplatz als Next Generation Form Factor ( NGFF ) bezeichnet. Die SSD-Module werden mit einer Schraube arretiert, ein Stromkabel ist nicht notwendig.

Die kleinen Karten sind kaum größer als ein Finger und packen derzeit bis zu acht Speicherchips (512 GByte), DRAM-Cache sowie einen Controller auf eine 22 oder 30 Millimeter breite sowie 30 bis 110 Millimeter lange Platine.

Die von uns getesteten M.2-SSDs sind alle sogenannte 2280-Module, messen also 22 auf 80 Millimeter. Damit sind sie zwar länger, jedoch schmaler und flacher als die bisher in Ultrabooks und HTPC-Mainboards eingesetzten SSDs im Msata -Format oder die gerne für WLAN genutzten Mini-PCIe-Karten.

Bootbare PCIe-Vielfalt

Sata-6-GBit/s überträgt rechnerisch bis zu 750 MByte/s mit 8b10b-Kodierung. Da jedoch 10 Bit nur 8 Bit transportieren, sinkt die Geschwindigkeit auf 600 MByte/s. In der Praxis bleiben davon etwa 550 MByte/s übrig. Das ist deutlich weniger als aktuelle SSD-Controller und NAND-Flash-Bausteine erreichen. Statt auf nur das Sata-6-GBit/s-Protokoll, setzt M.2 daher zusätzlich auf PCIe.

Bild 1/29: Testsystem: Asus Z97-Deluxe [NFC & WLC], Core i5-4430 (Stromsparmodi & Turbo deaktiviert), 2 x 8 GByte DDR3-1600, Windows 8.1 Pro x64

Bild 18/29: Intel 530 Series, Plextor M6E und Samsung XP941 (Bild: Michael Wieczorek/Golem.de)

Bild 19/29: Die meisten M.2-SDs nutzen eine B- und M-Kerbung. (Bild: Attend Technology)

Bild 20/29: Links B- und M-Kerbung mit PCIe-x2, rechts nur der M-Key mit PCIe-x4. (Bild: Michael Wieczorek/Golem.de)

Bild 21/29: Praktisch alle M.2-SSDs sind 22 mm breit, nur das 3042-Format tanzt aus der Reihe. (Bild: Attend Technology)

Bild 22/29: Vergleich von AHCI und NVME. (Bild: Intel)

Bild 23/29: Samsung sieht vor, nach der XP941 auch NVME-SSDs für Consumer anzubieten. (Bild: Andreas Sebayang/Golem.de)

Bild 24/29: Der Controller der Samsung XP941. (Bild: Michael Wieczorek/Golem.de)

Bild 25/29: Der Marvell-88SS9183-Controller der Plextor M6E. (Bild: Michael Wieczorek/Golem.de)

Bild 26/29: Der LSI-SF-2281-Controller der Intel 530 Series. (Bild: Michael Wieczorek/Golem.de)

Bild 27/29: Die PCIe-3.0-x4-Karte von Addonics im Asus Z97-Deluxe. (Bild: Michael Wieczorek/Golem.de)

Bild 28/29: Da unser Board auf dem Tisch liegt, haben wir die Blende abgeschraubt. (Bild: Michael Wieczorek/Golem.de)

Bild 29/29: Blockdiagramm des Z97-Chipsatzes, rot markiert die Stelle, wo der M.2-Slot angebunden wird. (Bild: Intel, Hervorhebung: Golem.de)

Weiterhin integriert der Steckplatz weitere Schnittstellen wie USB. Erkennbar ist das jeweilige Interface an einer oder mehreren Kerben an den Modulen: Sitzt eine Kerbe zwischen den Pins 59 und 66 (die Anschlüsse werden beidseitig gezählt), so handelt es sich um einen M-Key, der PCIe x4 und Sata unterstützt.

Befindet sich zusätzlich zwischen den Pins 12 und 19 eine Kerbung, nennt sich das B-Key. Dieser ist zu PCIe x2, Sata, USB 2.0 und 3.0 kompatibel – damit sind auch Module für WLAN, LTE oder Audio möglich und ersetzen damit künftig Mini-PCIe. Alle M.2-SSDs außer Samsungs XP941 sind mit einem M- und B-Key versehen, unterstützen also maximal PCIe-x2-Geschwindigkeit.

Solid State Drives im M.2-Slot dienen auf Wunsch als Boot-Laufwerk, anders als beispielsweise die Asus Raidr fügt eine PCIe-SSD keine zusätzliche Latenz hinzu.

Das Lanes-Dilemma

Die M.2-Steckplätze sind auf den aktuellen Mainboards mit Chipsätzen der 9er-Serie von Intel nur mit zwei PCIe-2.0-Lanes angebunden, daher werden besonders schnelle SSDs wie die XP941 von Samsung zwangsläufig ausgebremst. Das liegt nicht nur an den zwei von vier möglichen Lanes, sondern auch am Routing und der Kodierung der PCIe-Leitungen auf den Boards.

Intel sieht vor, dass nur die x16-Slots auf den Mainboards direkt an den PCIe-Root-Complex (vulgo: Controller) angeschlossen werden, der im Prozessor selbst steckt. Alle anderen Schnittstellen müssen über die PCIe-Verbindungen des Chipsatzes angebunden werden. Dort stehen zum einen nur acht Lanes zur Verfügung, zum anderen sind diese auch noch als PCIe-2.0 ausgeführt, sodass jede Lane nur 500 MByte/s übertragen kann. Die 8b10b-Kodierung ist hier schon eingerechnet, in der Praxis kommt weiterer Protokoll-Overhead hinzu und bleiben nur noch rund 800 MByte/s übrig.

PCIe 3.0 erwünscht!

Würde der Controller im Prozessor mit PCI 3.0 genutzt werden können, so wäre mehr als die doppelte Datenübertragungsrate möglich, was auch mit nur zwei Lanes für die XP941 schnell genug wäre. Da M.2 maximal vier PCIe-3.0-Lanes mit 128b130b-Kodierung unterstützt, kann die Schnittstelle rechnerisch bis zu 4 GByte/s bei weniger Overhead übertragen – sofern sie an PCIe 3.0 angeschlossen ist.

Wünschenswert wären für bezahlbare Eigenbau-PCs mit schnellen SSDs Mainboards, bei denen der M.2-Slot entweder mit vier 2.0-Lanes oder direkt vom PCIe-Controller der CPU angesteuert wird. Dann müsste bei der Aufteilung, die Intels Blockdiagramm des Z97-Chipsatzes zeigt, auf einen dritten x16-Slot verzichtet werden, und auch eine einzelne Grafikkarte könnte nur noch mit acht Lanes angeschlossen werden.

Das ist aber für Alltagsanwendungen und Spiele immer noch schnell genug, von der hohen Bandbreite von 16 PCIe-3.0-Lanes profitieren vor allem Rechenanwendungen für GPUs. Für solche Einsatzbereiche gibt es ohnehin schon lange spezialisierte Mainboards mit zusätzlichen PCIe-Multiplexern und mehr als drei Grafiksteckplätzen.

Für die meisten Anwender erscheint es sinnvoller, die neue M.2-Schnittstelle nicht schon bei ihrer Markteinführung künstlich auszubremsen. Asrock hat hier mitgedacht und beim Z97 Extreme6(öffnet im neuen Fenster) einen M.2-Slot mit PCIe-3.0-x4 an die CPU angebunden.

Noch ohne NVM Express

Sata Express beziehungsweise M.2 arbeiten derzeit mit AHCI: Das hat den Vorteil, dass keine speziellen Treiber notwendig sind – also einbauen und loslegen, auch als Boot-Laufwerk. Der Nachteil ist die beim AHCI fehlende Unterstützung für moderne SSD-Controller, diese folgt erst mit dem NVMHCI (Non-Volatile Memory Host Controller Interface).

Dessen NVM Express passt AHCI an heutige Solid State Drives und Prozessoren an: Besonders wichtig ist die um 2,5 µs verringerte Latenz, da NVM Express keine Register lesen muss und 4-KByte-Befehle ohne Zwischenschritt über den Arbeitsspeicher lädt.

Zudem erhöht sich die Anzahl an Warteschlangen von einer auf 65.536 und statt 32 sind 65.536 Befehle pro Schlange möglich. Dadurch kann der Controller einer SSD viel mehr Befehle verarbeiten, statt zu warten. Weiterhin ist NVM Express stärker auf CPUs mit vielen Kernen ausgelegt und Threads blockieren sich weniger.

Die notwendige Betriebssystemunterstützung ist seit Windows 8.1 und Linux-Kernel 3.3 gegeben, aber nur wenige Enterprise-SSDs wie Samsungs XS1715 sind überhaupt kompatibel zu NVM Express.

Haswell für M.2-SSDs

Als Basis für unsere Messungen dient das Asus Z97-Deluxe NFC & WLC . Die Platine ist mit Intels Z97 ausgestattet, der die M.2-Schnittstelle mit zwei PCIe-2.0-Lanes anbindet. Zudem bietet das Board noch Sata Express per ASM106SE-Controller, sechs Sata-6-GBit/s-Ports, ac-WLAN, Bluetooth 4.0, zwei Intel-Gigabit-Ethernet-Anschlüsse und 10 USB-Ports.

Ein Core i5-4430 mit abgeschalteten Stromspar- und Turbomodi (sinkende Frequenzen verringern die SSD-Leistung) sowie 2 x 8 GByte DDR3-1600 vervollständigen das Testsystem. Wir verwenden Windows 8.1 x64 mit aktuellen Treibern, alle SSDs sind mit der jeweils neuestem Firmware ausgestattet und wurden getrimmt.

Alle Messungen wurden mindestens drei Mal wiederholt und arithmetisch gemittelt, Ausreißer traten bei unserem Test keine auf – die Werte waren wie üblich sehr gut reproduzierbar.

Samsungs XP941 und PCIe-3.0-x4

Ausgestattet mit einem PCIe-2.0-x4-fähigen Controller und M-Kerbung ist Samsungs XP941 die derzeit schnellste SSD in M.2-Bauart am Markt. Auf dem 2280-Modul unserer 512-GByte-Version sitzen vier MLC-Chips und 512 MByte LPDDR2-Speicher von Samsung als Cache. Da die XP941 durch die M.2-Anbindung des Z97 bereits ausgebremst wird, testen wir die SSD zusätzlich mit einer PCIe-3.0-x4-Karte von Addonics(öffnet im neuen Fenster) im ersten x16-Slot des Asus Z97-Deluxe und nutzen die integrierte Grafikeinheit.

Wichtiges Detail hierzu: Haswell und Ivy Bridge unterstützen eine x2-Lane-Konfiguration, Sandy Bridge nicht. Im Falle unserer Addonics-x4-Steckkarte ist das egal, einige Modelle unterstützen jedoch nur -x2. Bei einem SNB-Prozessor schaltet eine solche Karte auf eine Lane um, im schlechten Fall also 500 MByte/s.

Plextor M6E, Intel 530 Series und Samsung 840 Pro

Die Plextor M6E nutzt wie die Sandisk A110 einen 88SS9183-Controller von Marvell, dieser unterstützt nur zwei PCIe-2.0-Lanes (erkennbar an der B- und M-Kerbung). Neben acht Speicherchips verbaut der Hersteller 512 MByte LPDDR3-RAM von Nanya. Plextor liefert die M6E schon seit Januar aus und legt daher mangels M.2-kompatiblen Mainboards einen Adapter bei der zwei PCIe-3.0-Lanes unterstützt.

Intels 530 Series liegt uns ins einer im regulären Handel nicht erhältlichen 240-GByte-Version vor. Anders als die SSDs von Samsung und Plextor hat sich Intel bei der 530 Series für das M.2-Format mit Sata-6-GBit/s-Anbindung entschieden. Der LSI-Controller SF-2281 hat seine Schwächen bei nicht komprimierbaren Daten, die Schreibrate sinkt hier deutlich.

Letztes Mitglied unseres Testfeldes ist eine Samsung 840 Pro im 2,5-Zoll-Format. Diese SSD ist eines der schnellsten Modelle für die Sata-6-GBit/s-Schnittstelle und dient daher als Referenz.

Schneller, schneller, schneller!

Als ersten Test speichern wir 50 GByte gemischte Dateien auf den SSDs und kopieren diese dann auf das Flashlaufwerk. Unsere Sammlung umfasst komprimierbare, nicht komprimierbare, riesige und winzige Daten. Dieser Mix schmeckt der Intel 530 überhaupt nicht, sie ist mit 592 statt 337 Sekunden viel langsamer als die Samsung 840 Pro.

Die Plextor M6E im M.2-Slot kann sich von dieser kaum absetzen (323 Sekunden), was bedeutet, dass die Lese- oder Schreibrate oder beide nur etwas besser sind als bei der 840 Pro. Die XP941, angeschlossen an den Z97, erzielt mit 259 Sekunden einen deutlichen Vorsprung, wird durch das M.2-Interface aber limitiert: In der PCIe-3.0-x4-Karte benötigt sie nur 243 Sekunden.

Dies spricht für eine sehr hohe Lese- und Schreibrate, die sich im AS SSD Benchmark bestätigt. Dieser setzt ausschließlich auf komprimierbare Daten, womit der Samsung-Controller anders als der von Intel verwendete Sandforce keine Probleme hat.

Die XP941 liest sequenziell mit 749 und schreibt mit 666 MByte/s, kommt der M.2-Grenze also sehr nahe. Per PCIe-3.0-x4 angeschlossen sind es gar über 1,1 GByte/s und über 900 MByte/s – mehr als das Doppelte der 840 Pro. Die Intel 530 ist aufgrund des LSI-Controllers abgeschlagen.

Beim Lesen und Schreiben von 4-KByte-Blöcken (QD1 sowie QD64) kann sich die XP941 nicht durchgehend an der Spitze halten, Plextors M6E ist teilweise ähnlich flott oder schneller (Hinweis: Die 512-GByte-Version der M6E schreibt laut Hersteller noch etwas mehr Daten pro Sekunde). Mit 64-KByte-Blöcken aus komprimierbaren Daten, wie sie der Atto-Benchmark nutzt, dominiert hingegen wieder Samsungs PCIe-SSD und die Intel 530 ist kaum langsamer als die 840 Pro.

Die höchste Lese- und Schreibrate erreicht die Samsung XP941 im Crystal Disk Mark: Die meisten Daten sind nicht komprimierbar, im M.2-Slot eingesteckt liest die SSD mit 797 und schreibt mit 738 MByte/s – viel mehr gibt das Interface nicht her. In der Addonic-PCIe-3.0-x4-Karte erreicht die XP941 lesend satte 1.167 MByte/s. Die PCIe-Lanes könnten zwar deutlich mehr, aber bei etwa 1,2 GByte/s haben Samsungs Controller und die NAND-Flash-Bausteine offenbar ihr Limit.

Die Input/Output Operations per Second haben wir aus Zeitgründen bewusst außen vor gelassen, da PCIe nur die Übertagungsgeschwindigkeit erhöht, auf die IOPS aber keinen Einfluss hat.

Verfügbarkeit und Fazit

Derzeit sind rund zwei Dutzend Sata-6-GBit/s-SSDs in M.2-Bauform im Handel erhältlich, sie reizen aber nicht die volle Geschwindigkeit der Schnittstelle aus. Aus Leistungssicht empfehlenswert sind SSDs wie die Intel 530 daher nicht, sondern nur die wenigen Modelle mit PCIe-Interface.

Eines davon ist die Plextor M6E, die mehr als 700 MByte/s liest. Verfügbar ist sie als PCIe-Steckkarte mit vormontierter M.2-SSD (128, 256 oder 512 GByte für rund 140 bis 450 Euro). Kurioserweise erlischt die Garantie, wenn der Endanwender die SSD abnehmen möchte, da die Befestigungsschraube mit einem kleinen Sticker überklebt ist.

Samsung verkauft die XP941 offiziell nur Enterprise-Kunden, die SSD ist aber beispielsweise bei RAM-City(öffnet im neuen Fenster) lieferbar (128, 256 oder 512 GByte für umgerechnet 180 bis 450 Euro zuzüglich Auslandsversand).

Wir empfehlen, die XP941 nur in Kombination mit einer PCIe-Steckkarte oder im PCIe-3.0-x4-Slot beispielsweise des Asrock Z97 Extrem6(öffnet im neuen Fenster) zu verwenden, da die Leistung in einem M.2-Mainboard-Port begrenzt ist. Entsprechende Platinen mit 9er-PCH gibt es von vielen Herstellern.

Fazit

Die M.2-Schnittstelle wie sie Intel als Referenz in die Platform Controller Hubs (PCH) der neunten Generation integriert hat, ist deutlich schneller als das Sata-6-GBit/s-Interface. Während letzteres sequenzielle Lese- und Schreibraten bis nur etwa 550 MByte/s erreicht, bietet die M.2-Schnittstelle in der Praxis knapp 800 MByte/s. Allerdings bremsen zwei PCIe-2.0-Lanes die XP941 deutlich aus, so wie beispielsweise im Macbook Air. Die anderen SSDs, die Apple verbaut, nutzen Sata-6-GBit/s und sind noch langsamer .

Die M.2-Schnittstelle wird zwar durch Intels Implementierung limitiert, ist aber dennoch schneller als Sata-6-GBit/s. Wir erachten M.2 als sinnvolle Option für Mini-PCs und Desktop-Rechner, da die Preise pro GByte sich mittelfristig bei höherer Geschwindigkeit an die der Sata-6-GBit/s-Modelle annähern dürften. In Notebooks verlängert eine M.2-SSD zudem die Akkulaufzeit, da sie ihre Aufgaben schneller erledigt und das Gerät zügiger wieder in einen Stromsparmodus umschalten kann.

Zurück zur XP941: Nur mit einer Adapterkarte kann die Samsung-SSD ihre volle Geschwindigkeit von bis zu 1.176 lesend und 946 MByte/s schreibend ausfahren. Für selbstgebaute Computer bietet sich eine PCIe-2.0-x4-, eine PCIe-3.0-x2- oder eine PCIe-3.0-x4-Steckkarte an, wie wir sie eingesetzt haben. Apples Mac Pro und Macbook Pro 15 binden ihre Samsung PCIe-SSD(s) mit vier 2.0-Lanes an und erreichen so etwas über 1 GByte/s.

Mit schnelleren SSD-Controllern und NAND-Flash-Bausteinen dürfte in Zukunft die 2-GByte/s-Grenze fallen, im Enterprise-Segment ist dies bei Modellen wie der OCZ Z-Drive R4 oder der Samsung XS1715 bereits der Fall. Letztere unterstützt zudem schon NVM Express: Erst mit diesem Protokoll entfalten PCIe-SSDs ihr volles Potenzial, die M.2-Schnittstelle und die Samsung XP941 sind also nur der erste Schritt.

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