PCIe-SSDs setzen sich immer mehr in modernen Computern durch. Wollen Sie ein älteres System damit aufrüsten, lohnt es sich jedoch, die Spezifikationen genau zu lesen.

Wer zu schnellen Massenspeichern beim Aufrüsten für ältere Systeme ohne UEFI-BIOS und ohne NVMe-Unterstützung greift, sollte einiges beachten. Besitzen Sie einen solchen Rechner, profitieren Sie durchaus von den Vorteilen, die Ihnen der PCIe-Bus bietet. Allerdings sollten Sie sich vor dem Kauf teurer Komponenten genau über deren Spezifikationen informieren, sonst setzen Sie unter Umständen mehrere Hundert Euro in den Sand.

Alternativen

Ältere Workstations und Server besitzen meist mehrere unterschiedlich lange PCIe-Steckplätze der zweiten Generation. Da solche Maschinen, die häufig noch ein konventionelles BIOS ohne NVMe-Modul enthalten, nicht mit aktuellen NVMe-SSDs zurechtkommen, greifen sie auf AHCI-SSDs zurück. Diese unterstützen das gleichnamige Protokoll und arbeiten damit mit älteren Systemen zusammen.

SSDs, die nach der AHCI-Spezifikation arbeiten, erhalten Sie in allen gängigen Formfaktoren sowie als PCIe-Steckkarte. Herkömmliche SSDs im 1,8- oder 2,5-Zoll-Formfaktor kommunizieren mit dem PC über die SATA-Schnittstelle und erreichen damit einen maximalen Durchsatz von 6 Gbit/s. Somit ist mit einer herkömmlichen SSD maximal ein Datendurchsatz von rund 500 bis 550 MByte/s möglich.

PCIe-SSDs mit AHCI-Unterstützung werden – wenn die Kapazität es zulässt – häufig im RAID-Verbund geschaltet und erreichen so höhere Geschwindigkeiten. Verfügen Sie noch über ein Computersystem, das lediglich den SATA-II-Standard unterstützt, dann ist bereits mit einer kleinen PCIe-SSD, die nach dem SATA-III-Standard arbeitet, ein deutlicher Zuwachs an Geschwindigkeit zu spüren, ohne dass Sie extra eine Controller-Karte anzuschaffen bräuchten.

Doch selbst wenn Sie eine PCIe-SSD mit AHCI-Unterstützung ausgemacht haben, lauert der Teufel im Detail: Einige dieser Modelle – etwa vom Hersteller FusionIO, der inzwischen zum Sandisk-Konzern gehört – besitzen onboard keine eigene Firmware mit Bootloader im ROM (sogenanntes OPROM). Damit erkennen ältere Computersysteme diese Laufwerke zwar, allerdings ist Linux nicht in der Lage, von diesen zu booten.

Als reiner Datenspeicher eignen sich solche SSDs ebenfalls nur bedingt: Um sie unter Linux einzubinden, gilt es, ein spezifisches Kernel-Modul zum Ansteuern des Controllers ins System zu integrieren. Das stellen meist die Hersteller bereit. Allerdings zeigen sie oft wenig Ambitionen, mehr als nur ein paar Distributionen zu unterstützen. Zudem läuft nicht selten der Support nach wenigen Jahren aus.

Andere Hersteller von PCIe-SSDs wie etwa OCZ oder Mushkin integrieren die Firmware direkt auf der Platine der Steckkarte. Die Software initialisiert sich beim Booten des Rechners automatisch, das BIOS lädt sie entsprechend, sodass das betreffende Laufwerk umgehend als Massenspeicher bereitsteht.

Knackpunkt BIOS

Zahlreiche ältere BIOS-Varianten, die noch nicht die UEFI-Spezifikation [1] unterstützen, zählen zwar oft USB-Speichersticks und Speicherkarten zu den bootfähigen Geräten, erlauben es jedoch nicht, von PCIe-Hardware wie eben PCIe-SSDs zu starten. Sie blenden häufig während des Initialisierens eine Meldung ein, die darauf hinweist, dass das Booten nur von Festplatten und CD-ROM-Laufwerken möglich ist.

In solchen Fällen empfiehlt es sich, für das entsprechende Motherboard nach BIOS-Updates Ausschau zu halten. Vor allem bei Modellen neuerer Bauart rüsten Hersteller in manchen Fällen nachträglich die Fähigkeiten zum Booten von PCIe-SSDs nach.

OCZ Revodrive 350

Das inzwischen zum japanischen Toshiba-Konzern gehörende Unternehmen OCZ Technology hat sich im Markt für Massenspeicher seit Jahren einen guten Namen gemacht. Neben herkömmlichen SSDs stellt OCZ auch PCIe-SSDs wie das Revodrive 350 [2] her. Das sehr schnelle Laufwerk eignet sich für Rechner mit herkömmlichen PCIe-Steckplätzen ab der zweiten Generation. Allerdings gibt es nur noch Restbestände im Handel.

Das Laufwerk nutzt im 19- nm-Fertigungsverfahren produzierte NAND-MLC-Speicher von Toshiba. Die Kapazität beläuft sich je nach Modell zwischen 120 und 480 GByte. Die AHCI-kompatible SSD beinhaltet maximal vier Sandforce SF2282-Controller, wobei es möglich ist, diese als RAID0-Verbund zu konfigurieren. Das Revodrive 350 verfügt zudem über eine eigene Firmware und ist aus diesem Grund von Haus aus mit Linux kompatibel.

Nach dem Einstecken der SSD-Platine wird das Laufwerk beim Hochfahren des Rechners initialisiert und steht unter aktuellen Distributionen als Speicher bereit. Bei den größeren Varianten mit 240 GByte und 480 GByte Kapazität fällt dabei auf, dass die üblichen Partitionierungswerkzeuge nicht ein, sondern zwei beziehungsweise vier Laufwerke zu je 120 GByte Kapazität anzeigen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Linux erkennt das Revodrive von OCZ Technology je nach Kapazität als ein oder mehrere Laufwerke.

Dieses seltsame Konstrukt resultiert aus der Architektur der Hardware: OCZ nutzt pro 120 GByte Kapazität zum Ansteuern der NAND-Speicherbausteine einen Sandforce-Controller. Diese wiederum sind mit einem eigenen, auf der SSD befindlichen RAID-Controller verbunden, den das System über einen virtuellen Software-Layer anspricht.

Dieser sorgt dafür, dass die zwei oder vier Controller jeweils im RAID-Verbund arbeiten und somit im Vergleich zum SATA-III-Standard nahezu doppelte oder gar vierfache Geschwindigkeiten beim Transfer erreichen. Fehlt für den proprietären RAID-Controller ein entsprechender Treiber, dann lassen sich nur die einzelnen Laufwerke ansprechen.

OCZ/Toshiba stellen zwar auf ihren Support-Seiten entsprechende Kernel-Module zum Ansteuern des RAID-Controllers bereit, diese eignen sich jedoch nur für ältere Ausgaben von Fedora, Ubuntu und Linux Mint. Somit ist das Laufwerk, wie die meisten PCIe-SSDs mit AHCI-Unterstützung, unter aktuellen Linux-Derivaten nicht zum Booten und nicht als einzelner schneller Massenspeicher zu gebrauchen. Das Revodrive arbeitet somit nur wie ein herkömmliches SATA-Laufwerk und erreicht bei Schreib- und Lesetests lediglich die typischen SATA-III-Datenübertragungsraten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Revodrive erreicht lediglich Schreib- und Leseraten, wie sie bei SATA-III-Laufwerken üblich sind.

M.2 oder NGFF

Eine weitere Alternative, um SSDs in älteren Systemen über die PCIe-Schnittstelle zu nutzen, besteht im Einsatz von Adapterkarten. Dabei kommen moderne SSDs im M.2-Formfaktor [3] zum Einsatz. Diese noch recht junge Technologie ist ebenfalls sowohl mit Support für AHCI wie NVMe erhältlich und sollte ursprünglich lediglich in Notebooks die mSATA-Schnittstelle ablösen.

Inzwischen verfügen jedoch neue stationäre Computersysteme zunehmend über M.2-Schnittstellen, die direkt am PCIe-Bus hängen. Diese Interfaces, auch NGFF-Schnittstellen genannt (Akronym für “Next Generation Form Factor”), gibt es jedoch wieder in vielfältigen Bauformen, sodass es hier unumgänglich ist, vor dem Kauf einer solchen SSD genaue Informationen einzuholen.

Schlüsselfrage

M.2-SSDs finden sich in unterschiedlichen Längen und Breiten im Handel. Üblicherweise sind sie 42, 60 oder 80 mm lang, sodass nicht jede beliebige SSD in jeden Steckplatz passt. Hinzu kommt, dass unterschiedliche Aussparungen an den Kontaktleisten (oft Keys genannt) teilweise den Einsatz von bestimmten Modellen verhindern. Üblicherweise passen M.2-SSDs in Sockel, die entweder Key M oder Key B unterstützen.

Dabei unterscheiden sich die Sockel nicht nur in den Aussparungen für die Steckkarten, sondern darüber hinaus in der Anzahl der unterstützten PCIe-Lanes: Karten, die Key-M- und Key-B-Aussparungen besitzen, nutzen zwei PCIe-Lanes, während solche, die ausschließlich über Key- M-Aussparungen verfügen, vier PCIe-Lanes verwenden.

Als Faustregel gilt: SATA-SSDs im M.2-Formfaktor besitzen entweder eine einzelne Key-B- oder eine Key-M- plus eine Key-B-Aussparung. PCIe-SSDs mit AHCI- oder NVMe-Unterstützung dagegen besitzen nur eine Key- M-Aussparung.

Kartenspiel

Verfügt Ihr PC noch nicht über einen integrierten NGFF-Steckplatz, dann bieten sich als Alternative Adapterkarten für PCIe-Steckplätze an, die ein oder zwei, teils auch vier M.2-Sockel bereitstellen. Es gibt sogar Karten, die zusätzlich noch einen mSATA-Anschluss besitzen.

Bei der Auswahl der Adapterkarten heißt es: genau hinsehen. Die Slots für die M.2-SSDs gleichen sich in der Regel in Länge und Breite, unabhängig vom verwendeten Interface. Allerdings sind speziell bei jenen Adapterkarten, die zwei M.2-Modelle aufnehmen, meist eine für SSDs mit Key B und eine für Key M gedacht.

Der Anschluss für Key B ist nur für SATA-SSDs konzipiert und wird über ein handelsübliches SATA-Kabel an den im Rechner bereits vorhandenen Controller durchgeschleift. Echte PCIe-SSDs im NGFF-Formfaktor dagegen integrieren sich über den Key-M-Slot ins System. Daher empfiehlt es sich, nicht nur beim Neukauf solcher Adapterkarten die technischen Spezifikationen sorgfältig zu lesen, sondern bei Unklarheiten über die Slot-Belegung die Aufdrucke auf der Adapterkarte anzusehen.

Inzwischen drucken die meisten Hersteller explizite Warnhinweise auf ihre Adapterkarten, um Verwechslungen zu vermeiden. Zusätzlich sollten Sie vor dem Kauf einer neuen M.2-SSD deren technische Beschreibung genau lesen: Vielfach ist nicht sofort ersichtlich, ob es sich um eine M.2-NVMe-SSD, eine M.2-AHCI-SSD oder eine M.2-SATA-SSD handelt.

Da die PCIe-SSDs Key-M-Aussparungen besitzen, kommt es hier leicht zu Verwechslungen. Die Kingston-M.2-SSD vom Typ UV500 ist etwa eine SATA-SSD, während das Modell Hyper-X Predator vom selben Hersteller in einer älteren PCIe-AHCI-Variante und unter derselben Typenbezeichnung in einer neueren PCIe-NVMe-Version erhältlich ist. Äußerlich unterscheiden sich die drei M.2-SSDs nur marginal.

Liteon CX1

Für unseren Test wählten wir mit einer Liteon CX1 [4] exemplarisch eine PCIe-AHCI-SSD. Das Speichermodul gibt es in Varianten zwischen 128 und 512 GByte, unter der Haube nutzt die SSD NAND-Speicher von Toshiba. Die technischen Daten der SSD weisen diese anhand der Schreib- und Leseraten von jeweils maximal 730 und 830 MByte/s eindeutig als PCIe-SSD aus, die einen PCIe-Slot der Version 2 mit vier Lanes benötigt.

Die Liteon-SSD muss sich gegen einen Adapter vom aus Taiwan stammenden Hersteller Silverstone [5] behaupten, der im Dual-Slot-Betrieb den simultanen Einsatz von zwei M.2-SSDs gestattet: Einer der Slots nimmt eine SATA-SSD auf, während der zweite für einen PCIe-Massenspeicher ausgelegt ist. Die Slots tragen eindeutige Kennzeichnungen, sodass es nicht zu Verwechslungen kommen sollte (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Silverstone-Adapterkarte bietet zwei unterschiedliche M.2-Slots.

Der SATA-Slot ist zudem über ein entsprechendes Kabel mit dem passenden Controller der Hauptplatine des Computers verbunden. Dadurch stellt das System sicher, dass eine auf der Adapterkarte eingesetzte M.2-SATA-SSD auf jeden Fall in der Lage ist, das dort installierte Betriebssystem zu booten (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Liteon-SSD entspricht dem PCIe-AHCI-Standard.

Die Liteon-SSD findet in einem PCIe-Slot mit Key-M-Belegung Platz. Anschließend kam der Adapter in einen freien PCIe-x4-Steckplatz. Das Betriebssystem – in Test Linux Mint 19 “Tara” – erkennt die PCIe-SSD ohne weitere manuelle Arbeiten und spricht das gesamte Laufwerk mit seiner korrekten Kapazität von 512 GByte an.

Der Leistungstest offenbart, dass die SSD wie erwartet nicht zu den schnellsten gehört: Mit einer Leserate von 678 MByte/s und einer Schreibrate von 526 MByte/s liegt das kleine M.2-Laufwerk nur wenig über den maximal möglichen Transferraten des SATA-III-Standards. Allerdings zeigt sich die Liteon-SSD im Vergleich zum Revodrive unter Linux als wahrer Sprinter. Die Zugriffszeiten des Revodrives liegen ebenfalls signifikant über denen der Liteon-CD (Abbildung 5).

Abbildung 5: Schneller als eine SATA-SSD, aber nicht wirklich schnell: die Liteon-SSD.

SATA-SSDs

Eine voluminöse Möglichkeit, die PCIe-Schnittstelle für schnelle Massenspeicher zu nutzen, stellen Adapterkarten für herkömmliche SATA-SSDs dar. Diese Karten bieten auf einer PCIe-Platine Platz für zwei handelsübliche SATA-SSDs. Durch einen auf der Platine angebrachten RAID-Controller ist es möglich, die Platten im RAID0-Verbund zu betreiben, und kommen damit auf ansehnliche Geschwindigkeiten, die knapp das Doppelte des SATA-III-Standards ausmachen.

Bei dieser Anschaffung sollten Sie ebenfalls vor dem Kauf klären, ob das ROM der Steckkarte einen Bootloader enthält [6] und das System damit von den auf der Karte installierten Laufwerken aus booten kann (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der Wings X2-Adapter des österreichischen Herstellers Angelbird nimmt zwei herkömmliche SATA-SSDs auf.

Fazit

Der Einsatz von PCIe-SSDs in älteren Computersystemen gleicht einem Lauf durch ein Minenfeld: Zwar arbeiten zahlreiche Modelle – egal, ob mit oder ohne Adapterkarte – problemlos mit Linux als Massenspeicher zusammen. Aber ohne ein entsprechendes BIOS im PC und ein OPROM auf der Platte sind die Laufwerke nicht in der Lage, ein Betriebssystem zu booten. Auch PCIe-Adapterkarten für moderne M.2-SSDs eignen sich (wenn das BIOS des Computersystems nicht mitspielt) nicht als Bootmedium.

Aktuelle, nach dem NVMe-Protokoll arbeitende PCIe-SSDs lassen sich erst gar nicht in älteren Computern mit PCIe-Steckplätzen, die noch kein UEFI-BIOS besitzen, einbinden. Aufgrund der überaus zahlreichen Standards, Spezifikationen und Abmessungen besteht daher die große Gefahr, dass Anwender die falschen Komponenten kaufen. Vor dem Kauf einer PCIe-SSD empfiehlt es sich deshalb unbedingt, die technischen Spezifikationen aller beteiligten Komponenten inklusive des Rechner-BIOS auf Kompatibilität zu prüfen.