M.2 SSD Guide – PCIe, NVMe und Co. erklärt

Corsair MP600 Montage

SSDs sind bereits seit Jahren auf dem Siegeszug. Die kleinen, lautlosen und vor allem schnellen Datenträger haben die konventionellen HDDs allmählich verdrängt, zumindest im Alltag vieler Homeuser. Den hohen Geschwindigkeiten, aber auch der möglichen Kompaktheit kann der etablierte SATA-Port nicht gerecht werden. Daher gibt es schon länger den M.2-Port, über den moderne SSDs ohne Kabel direkt auf das Mainboard gesetzt werden. Die unterschiedlichen Typen und Anbindungen verwirren jedoch auf den ersten Blick.

M.2 viele Vorteile, viele Varianten

M.2 (früher Next Generation Form Factor, kurz NGFF) hat mehrere Vorteile. Zu der erwähnten kabellosen Verbindung, sind die möglichen Übertragungsgeschwindigkeiten – je nach Anbindung – immens. Mit über 7800 MB/s überflügeln sie die alten SATA Ports um mehr als den Faktor 10.

M.2 ist dabei jedoch vielseitiger als die SATA-Stecker, nicht jede M.2 Karte passt in jeden M.2 Port und M.2 bedeutet nicht gleich High-Speed. Unterschiedliche Formate, Protokolle und Schnittstellen erschweren die Übersicht. Damit am Ende alles passt und die Geschwindigkeiten nicht enttäuschen, ist etwas Orientierung notwendig. Denn nur weil ein Endgerät den M.2 Stecker nutzt ist es nicht automatisch auf der Überholspur. Zudem werden nicht nur SSDs in dem kompakten Format gehalten, sondern auch andere Erweiterungskarten wie etwa WLAN-Karten.

Die Steckerformate – eine Frage des Typs

Von M.2 gibt es mehrere Steckerformate, die nach sogenannten Typen (oder Keys) unterteilt sind: Typ A, E, A&E, sowie Typ B, M und B&M. A&E wie auch B&M sind Kombinationen aus jeweils zwei Formaten.
Man erkennt den Typ an den Aussparungen im Stecker. Typ B hat beispielsweise nach 6 Kontakten links eine Lücke, Typ M eine nach 5 Kontakten rechts. Anhand dieser Pinbelegung wird auch das Übertragungsprotokoll definiert. Typ M = PCIe, Typ B = SATA, dazu später mehr.

WD SN750
Typ M Stecker
M.2 Typ AE
Typ A&E

Für unseren Schwerpunkt moderne PC-Hardware und SSDs spielt vor allem der Typ M und teilweise B&M eine Rolle. Moderne Mainboards haben in der Regel Typ-M Ports, genau wie die moderne PCIe-SSDs. Karten mit Typ B+M sind eine Kombination aus beidem und passen in beide Ports. Es gibt sie als SATA und als PCIe, hier hilft ein Blick in die Specs.

Typ/KeyAnbindung
APCIe (x2), USB
EPCIe (x2), USB
A&EPCIe (x2), USB
BSATA
MPCIe ( x2 / x4 )
B&MSATA oder PCIe 
M.2 Typen und ihre Anbindung

Typ A&E findet sich oft bei WLAN-Karten wieder, die uns hier weniger interessieren.

Formfaktor – auf die Größe kommt es an

M.2 Karten gibt es in unterschiedlichen Größen bzw. um es genauer zu sagen, in unterschiedlichen Längen. Die Breite ist mit 22 mm immer gleich! Bei der Länge haben sich fünf Standards durchgesetzt 30, 42 mm, 60 mm, 80 mm und 110 mm. Aus Breite+Länge ergibt sich der Formfaktor z.b. 2280 für eine 80 mm lange Karte und 22110 für eine 110 mm Karte usw.

M.2 SSD Länge
Montagepunkte für 2242, 2260 und 2280, Typ-M

Bei den SSDs hat sich die Größe 2280 etabliert. Kleine WLAN-Karten sind meist im Format 2230. Da M.2 Karten an der Kante gegenüber des Steckplatzes mit einer Schraub fixiert werden, muss man darauf achten, welche Länge das Mainboard unterstützt, also wie viel Platz dort ist und welche Schraubengewinde angeboten werden. Gerad bei kompakten System oder Notebook ist dies nicht unkritisch. Dazu kommt, dass sehr schnelle SSDs einen Kühlkörper brauchen, der deutlich höher als die eigentliche SSD ist.

Anbindung und Protokoll – so schnell kann es sein

Wie bei den Steckern erwähnt gibt es zwei Anbindungen für M.2 SSDs. So können trotz M.2 Stecker die SSDs noch über SATA angebunden sein, oder aber die schnellere PCIe Schnittstelle nutzen. Bei letzterer ist noch zwischen PCIe 3.0 oder 4.0 zu unterscheiden, wobei dies untereinander kompatibel ist.
Mit der Schnittstelle ergibt sich auch das verwendete Protokoll. Im Falle von SATA ist dies AHCI und bei PCIe das neue NVMe-Protokoll.

Zwischen SATA und PCIe liegen gigantische Unterschiede bzgl. der möglichen Geschwindigkeit. So überträgt eine M.2 SSD per SATA/AHCI maximal 600 MB/s, während eine M.2 SSD mit PCIe 3.0/NVMe Anbindung auf ~4000 MB/s begrenzt ist. Tatsächlich sind die Werte bis dato schon erreicht worden und so gibt es bereits SSDs mit PCIe 4.0 Anbindung, die gar ~7900 MB/s an Bandbreite zur Verfügung haben – ein entsprechendes Mainboard samt CPU vorausgesetzt.
Um die Kompatibilität zwischen PCIe 3.0 und 4.0 muss man sich zum Glück keine Gedanken machen. Eine PCIe 4.0 SSD läuft auch auf Mainboards die nur PCI 3.0 haben (eben auf dessen Geschwindigkeit begrenzt) und umgekehrt!

Zusammengefasst

  • SSDs mit Stecker Typ M sind PCIe mit 3900 bis 8000 MB/s (je nach PCIe Standard)
  • SSDs mit Stecker Tyo B sind PCIe mit SATA bis 600MB/s
  • SSDs mit Stecker Typ B+M können beides sein
  • Typ M SSDs passen in Typ M M.2 Ports
  • Typ B SSDs passen in Typ B M.2 Ports
  • Typ B+M SSDs passen in Typ M, Typ B und B+M Ports
  • Achtung das gilt nicht umgekehrt. Eine Typ M SSDs kann z.b. nicht ein einen B+M Ports gesteckt werden, aufgrund der Trennstege!

So schnell sind SSDs wirklich

Nur weil die Verbindung diese Geschwindigkeiten übertragen könnte, ist dies nicht automatisch auch der Fall. Hier kommt es auf die jeweilige SSDs selbst an. Die Leistung ergibt sich aus verschiedenen Faktoren wie dem verwendeten Speicher, Controller, dem Cache usw.
Hersteller geben dazu bei ihren Produkte die „bis zu“ Raten an. Dies sind Leistungsangaben, die im Optimalfall erreicht werden. Darunter ist in der Regel das Lesen/Schreiben von sequentiellen Daten gemeint.

Corsair MP600 Crystsl Disk
Benchmark einer Corsair MP600 mit PCIe 4.0

Unter realen Bedingungen verhält es sich anders. Es kann durchaus sein, dass eine SSD mit sehr hohen sequentiellen Lese-/Schreibraten bei zufälligen Daten langsamer ist, also ein Modell mit geringeren seq. Raten. Wir empfehlen daher unsere Tests.

SLC, TLC, 3D – Der Speichertyp und die Sache mit dem Cache

Der Speicherplatz auf einer SSD wird mit so genanntem NAND-Flash-Speicher realisiert. Die Hersteller der SSDs nutzen dabei Speicherchips von den Herstellern Samsung, SK Hynix, Toshiba/Western Digital und Micron/Intel.
Um die Speicherkapazität zukünftig weiter erhöhen zu können bauen die Hersteller Speicherzellen auch in die Höhe, daher die Bezeichnung 3D-NAND, bei dem die Speicherzellen quasi geschichtet werden.

Die Speichertypen unterscheidet man danach, wie viel Bits pro Speicherzelle gespeichert werden. SLC-Speicher hat 1-Bit pro Zelle, MLC 2, TLC 3 Bit pro Zelle und QLC schließlich 4 Bit pro Speicherzelle. Der Vorteil von mehr Bit pro Zelle liegt auf der Hand: Mehr Speicherplatz. Aufgrund der immer höheren Kapazitäten stirbt SLC daher zunehmend aus.

Auf der anderen Seite wird das Lesen/Schreiben bei mehr Bits pro Zelle aber auch komplexer, da mit bei Änderung von einem Bit die gesamte Zelle neugeschrieben werden muss. Deshalb hat SLC gegenüber TLC und insbesondere dem langsamen QLC einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil. Um auch TLC/QLC SSDs in den Genuss von höchsten Geschwindigkeiten kommen zu lassen wird ein Cache eingesetzt. Gängig ist ein Pseudo-SLC-Cache. Bis zu einer bestimmten Kapazität oder vordefiniertem Bereich werden die Speicherzellen als SLC angesprochen, also nur 1 Bit pro Zelle geschrieben. Läuft der Cache bei einer Übertragung voll, reduziert sich die Datenrate auf die der TLC/QLC-Zellen. Wie groß der Cache ist, ist oft unbekannt und/oder abhängig von den freien Zellen, ist also dynamisch. Bei teureren SSDs findet man auch kleine DRAM-Caches, in den die Daten zunächst geschrieben werden.
Im Alltag spielt es für die meisten Nutzer auch keine Rolle und wird erst zum Thema, wenn große Datenmengen am Stück kopiert werden. Dabei kann die Datenrate leicht, aber auch gravierend einbrechen.

Crucial SSD Cache
Datenrate bei vollem Cache (Crucial X8)

TBW – so lange halten SSDs

Bei SSDs gibt es noch immer Befürchtungen bezügliche ihrer Haltbarkeit, da die Speicherzellen nur eine bestimmte Anzahl an Schreibvorgängen bieten. Die Hersteller geben als Orientierung die TBW an. TBW heißt „Total Bytes Written“ oder „Terabytes Written“.
Die Angabe ist jedoch eher grober Natur, die SSD wird also nicht punkt auf den Wert tot umfallen. Sie können jedoch Teil der Garantie sein, bzw. die Garantie beenden.

Abseits von großen Installationen, die nicht ständig an der Tagesordnung sind, kommt man im Alltag ungefähr auf 15-25 GB Schreibvolumen, je nach Verwendung des Rechners.
Eine beispielhafte gewählte Corsair MP510 480 GB bietet 800 TB TBW und könnte damit 150 Jahre lang mit täglich 15 GB beschrieben werden. Selbst die günstige ADATA SX6000 Lite mit 128GB könnte dies 11 Jahre überstehen.

Empfehlungen M.2 SSDs

Nach Möglichkeit empfehlen wir natürlich PCIe SSDs. Derzeit bevorzugen wir folgende Modelle

Crucial P5* | Test
PNY XLR8 CS3030* | Test
Samsung SSD 970 EVO Plus*
Corsair MP510* | Test
Corsair MP600* | Test (extrem schnelle PCIe 4.0 SSD für entsprechende Systeme)

Sollte eine M.2 SATA SSD notwendig sein, bieten sich folgende Modelle an

Western Digital WD Blue
Crucial MX500
Samsung SSD 860 EVO

Unsere NVMe Empfehlungen

Zuletzt aktualisiert am 3. Dezember 2020 um 04:34 . Wir weisen darauf hin, dass sich hier angezeigte Preise inzwischen geändert haben können. Alle Angaben ohne Gewähr.  
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2 Kommentare

  1. Sehr gute Erklärung, bis auf zwei Punkte:
    – Man sollte bei SLC, QLC, etc. dazu schreiben, dass bei einem Bit, das geändert werden muss, die ganze Zelle mit X Bits neu geschrieben werden muss. Geht nicht so direkt aus dem Text hervor, finde ich
    – Doppelte Nennung von 80mm?

    Bei den SSDs hat sich die Größe 2280 etabliert, man findet sie aber auch als 42, 60 und 80 mm.

  2. Schöner Guide.
    Vielleicht könnte man noch einen Abschnitt zum Einfluss von der Temperatur auf die Datenübertragungsrate und Kühlkörpern als mögliche Gegenmaßnahme hinzufügen.Etwa bei einem Modell exemplarisch einen langen Schreib-Benchmark laufen lassen und dann die Temperatur und resultierenden Geschwindigkeiten über einen Zeitraum aufnehmen und plotten.
    Sollte die Übertragungsrate einbrechen könnte man dann einen der am Markt erhältlichen M.2 Passivkühler auf die SSD packen und den Test wiederholen.
    Oder ist Überhitzung bei M.2 SSDs inzwischen kein so großes Problem mehr?

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