Ausführlicher Überblick NVMe 2.1 bietet neue Features für KI, Cloud und Industrie

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Die NVMe-Standardisierungsorganisation veröffentlichte kürzlich drei neue sowie acht aktualisierte Spezifikationen für NVMe (Non-Volatile Memory Express) und verabschiedet damit den Standard NVMe 2.1. Die neuen Funktionen sollen die Entwicklung und die Markteinführungszeiten moderner Speichersysteme vereinfachen.

Neu sind Features wie die Live-Migration von PCIe-NVMe-Controllern, Computational Storage und eine neue Technologie zur hostgesteuerten Datenplatzierung. Ziel der Aktualisierungen ist es, NVMe als zentrale Architektur für unterschiedliche Anwendungsbereiche wie Cloud-, KI-, Client- und Unternehmensspeicher weiter zu stärken und gleichzeitig die Kompatibilität mit bestehenden Spezifikationen sicherzustellen.

Siegeszug der NVMe-Technologie dank SSDs

Das NVMe-Protokoll hat sich seit der Einführung 2011 schnell zu einem Standard für schnelle und effiziente Speicherlösungen entwickelt. Ursprünglich als eine PCIe-SSD-Spezifikation konzipiert, deckt NVMe heute eine Vielzahl von Speicheranforderungen ab. Dem Verbraucher dürfte das Protokoll auch als Synonym der schnellen PCI-Express-SSDs im M.2-2280-Formfaktor am geläufigsten sein. Obwohl es anfangs auch zahlreiche SATA-SSDs als M.2-Steckkarte gab, verbreiteten sich solche mit schnellem NVMe-Protokoll mit PCI-Express-Anbindung und graben dem ursprünglichen SSD-Formfaktor im 2,5-Zoll-Format mit AHCI-Protokoll wegen attraktivem Preis-Leistungsverhältnis das Wasser zunehmend ab.

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Mit der „Refaktorisierung“ von NVMe 2.0 im Jahr 2021 wurde die Basisspezifikation von spezifischeren Befehlssätzen getrennt, um eine klarere Abgrenzung der Funktionen zu schaffen. Das war deswegen notwendig, um die unterschiedlichen Anforderungen von kleinen (Verbraucher-)Endgeräten bis hin zu großen Rechenzentren besser zu berücksichtigen.

Die breite Anwendbarkeit von NVMe, die alles von winzigen Geräten bis zu großen Unternehmensspeichern abdeckt, hat das Bedürfnis nach klareren Spezifikationen verstärkt. Insbesondere für den Einsatz in Cloud-Umgebungen und in Kombination mit NVMe-over-Fabrics (NVMe-oF) war eine Differenzierung erforderlich. Die neuen Updates sollen genau hier ansetzen und zusätzliche Flexibilität und Präzision einführen, berichtet die NVMe-Organisation zur neuen 2.1-Version.

NVMe-Neuheiten im Detail: Live Migration, Host Directed Data Placement, Computational Storage und andere

Eine der wichtigsten Neuerungen ist die Live-Migration von PCIe-NVMe-Controllern zwischen verschiedenen NVM-Subsystemen. Diese Funktion ermöglicht es, den I/O-Durchsatz temporär zu verlangsamen, um die Migration von Servern ohne Unterbrechung des Betriebs durchzuführen. Dies ist besonders für Anwendungen im Rechenzentrum von Bedeutung, bei denen Flexibilität und Minimierung von Ausfallzeiten entscheidend sind.

Die neue hostgesteuerte Datenplatzierung (Host Directed Data Placement) erlaubt es Anwendern, Daten gezielt in bestimmten Bereichen einer SSD zu platzieren, was die Integration in bestehende Systeme erleichtern und die Effizienz steigern soll. Gleichzeitig bleibt diese Technologie rückwärtskompatibel zu früheren NVMe-Spezifikationen.

Mit dem Computational Storage wird es möglich, einige Rechenprozesse direkt auf NVMe-Speichergeräten auszuführen, was die Host-Belastung reduzieren und daher die Leistung optimieren soll. Dies spielt vor allem bei datenintensiven Anwendungen wie KI und maschinellem Lernen eine Rolle, bei denen geringe Latenzzeiten entscheidend sind.

Zu den aktualisierten Spezifikationen zählen die NVMe-2.1-Basisspezifikation sowie verschiedene Befehlssatz- und Transportspezifikationen:

• NVM-Befehlssatz: Aktualisierte Funktionen zur Steuerung von nicht-flüchtigem Speicher verbessern die Effizienz der Speichernutzung.

• ZNS-Befehlssatz (Zoned Namespace): Optimierungen für den ZNS-Befehlssatz ermöglichen eine effizientere Datenorganisation und -speicherung in zonierten Bereichen von Speichergeräten.

• Schlüsselwert-Befehlssatz: Erweitert die Möglichkeiten zur Verwaltung von Datenobjekten durch eine Schlüssel-Wert-Zuordnung auf NVMe-Speichergeräten.

• PCIe-Transport: Verbesserte Unterstützung für die Datenübertragung über PCIe-Verbindungen, was die Performance und Bandbreite steigert.

• Fibre-Channel-Transport: Optimierungen für die Übertragung von NVMe-Daten über Fibre-Channel-Netzwerke zur Steigerung der Datentransferraten.

• RDMA-Transport: Aktualisierte Spezifikationen für RDMA ermöglichen eine effiziente Kommunikation mit niedrigen Latenzzeiten in verteilten Speichernetzwerken.

• TCP-Transport: Verbesserungen im NVMe-über-TCP-Protokoll bieten eine flexiblere und kostengünstige Anbindung an Netzwerkspeicher.

• NVMe-Verwaltungsschnittstelle: Optimierte Verwaltungsfunktionen zur besseren Steuerung und Überwachung von NVMe-Geräten.

• Netzwerk-Boot-Mechanismus für NVMe-oF: Ermöglicht das direkte Booten von NVMe-Speichergeräten über NVMe-over-Fabrics.

• Subsystem Local Memory Command Set (SLM): Bietet neuen Zugriff auf lokalen Speicher innerhalb eines NVMe-Subsystems und steigert damit die Speicherleistung.

• Computational Programs Command Set: Erlaubt die Verarbeitung spezifischer Rechenprozesse direkt auf NVMe-Speichergeräten, wodurch die Host-Belastung reduziert wird.

Wie die alten stehen auch die neuen Spezifikationen auf der NVMe-Website zum Download bereit.

TLS 1.3, DH-HMAC-CHAP: Sicherheits- und Management-Verbesserungen

Zusätzlich zu den neuen Spezifikationen wurden auch Sicherheitsmechanismen verbessert. Dazu zählt die Unterstützung für TLS 1.3 sowie die Möglichkeit, Verschlüsselungsschlüssel auf Host-Seite zu verwalten und eine hochgranulare Verschlüsselung mit Key Per I/O einzusetzen. Dies soll mehr Sicherheit bei der Datenübertragung und Datenspeicherung bieten, was in professionellen, sensiblen Anwendungen relevant ist.

Darüber hinaus wurden Funktionen wie die zentrale Authentifizierungsüberprüfung für DH-HMAC-CHAP sowie eine Medienüberprüfung nach der Bereinigung eingeführt. Damit wird sichergestellt, dass Daten vollständig gelöscht, also nicht wiederherstellbar sind.

Im Bereich Management wurden weitere Verbesserungen erzielt, etwa durch die Unterstützung von Out-of-Band-Management und die dynamische Erstellung exportierter NVM-Subsysteme. Dies erleichtert das Management von NVMe-Umgebungen, indem Administratoren einzelne Subsysteme eigenständig verwaltet werden können.

Windows Server 2025 unterstützt neue NVMe-Funktionen

Ab Windows Server 2025 ist es einem Hyper-V-Cluster möglich, sich mit SANs über iSCSI, Fibre Channel und den integrierten Initiator für NVMe over Fabrics (NVMe-oF) anzuschließen. Auf TCP beschränkt, werden zukünftige Updates für Workloads mit geringerer Latenz RDMA-Unterstützung hinzufügen.

Auf NVMe-Speicher soll die Leistung laut Microsoft mit bis zu 90 Prozent mehr IOPS deutlich höher sein. Es wird davon ausgegangen, dass dies eine geringe CPU-Auslastung zur Folge hat, was zu einer höheren Rechenleistung für VMs führt.

Ausblick: Neue Funktionen schon ab zweitem Quartal 2025

In den kommenden Jahren sind bereits weitere Features geplant. Die NVMe-Organisation berichtet bereits jetzt von Anpassungen im Bereich Post-Quantum-Kryptographie (PQC) sowie die Integration mit CXL (Compute Express Link), um den steigenden Anforderungen der Speicherbranche gerecht zu werden.

So sollen neue Algorithmen für die Post-Quantum-Security sicherstellen, dass Daten auch in einer Ära sicher bleiben, in der Quantencomputer weit verbreitet sind. Mittels NVMe über CXL (NVMe-oC) wird der Datentransfer zwischen Host und Speichergerät weiter optimiert Mit dem Verbindungsstandard CXL, der zwischen CPU und anderen Geräten arbeitet, verspricht sich die Standardisierungsorganisation eine geringere Latenz sowie effizienteren Energieverbrauch, was wiederum die Gesamtleistung verbessern soll.

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Fazit: Hauptsächlich neue Profi-Funktionen

Die neuen NVMe-Spezifikationen bieten weniger Neuerung für Speicherprodukte für Verbraucher. Die zahlreichen Verbesserungen fokussieren eher den Einsatz in modernen Rechenzentren und Unternehmensanwendungen. Von der Live-Migration bis hin zu besseren Sicherheitsfunktionen und optimierten Datenplatzierungen zeigen die Updates, dass NVMe sich kontinuierlich weiterentwickelt, um den Bedürfnissen der Industrie gerecht zu werden.

(mc)

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