Speichertipp: Neuer Storage-Stack hebt IOPS und CPU-Effizienz auf ein anderes Niveau Native NVMe in Windows Server 2025

Mit der nativen NVMe-Unterstützung in Windows Server 2025 ersetzt Microsoft die bisherige SCSI-orientierte I/O-Verarbeitung durch einen speziell für Flash-Speicher entwickelten Storage-Stack. Die Umstellung reduziert Protokollübersetzungen im Kernel und erschließt die Leistungsreserven moderner PCIe-NVMe-SSDs.

Windows Server 2025 integriert erstmals einen vollständig auf NVMe ausgelegten I/O-Pfad. Bisher behandelte das Betriebssystem NVMe-Geräte intern weitgehend wie klassische SCSI-Datenträger. Dieser Ansatz erforderte eine Übersetzung von NVMe-Kommandos in SCSI-Strukturen innerhalb des Storage-Stacks. Mit Native NVMe entfällt diese Abstraktionsebene. Das Betriebssystem adressiert NVMe-Queues direkt und nutzt deren Architektur ohne Legacy-Overhead.

Architekturwechsel im Windows-Storage-Stack

NVMe basiert auf einem Multi-Queue-Design mit bis zu 64.000 Submission- und Completion-Queues. Jede Queue verarbeitet wiederum bis zu 64.000 Kommandos. Klassische SATA- und SCSI-Modelle arbeiten mit einer einzelnen Queue und begrenzter Befehlsanzahl. Der bisherige Windows-Stack war historisch auf dieses Modell zugeschnitten.

Windows Server 2025 implementiert einen I/O-Pfad ohne zentrale Sperrmechanismen im Kernel. Lock-freie Verarbeitung reduziert Kontextwechsel und Synchronisationsaufwand. Die direkte Queue-Zuordnung zu CPU-Kernen minimiert Wartezeiten im Interrupt-Handling. Dadurch sinkt die Latenz pro I/O-Operation, und parallele Workloads skalieren gleichmäßiger über viele Threads hinweg.

Messwerte und Benchmark-Szenarien

Interne Tests mit DiskSpd auf NTFS-Volumes zeigen bei Microsoft deutliche Unterschiede zwischen Windows Server 2022 und Windows Server 2025 mit aktivierter Native-NVMe-Funktion. In 4K-Random-Read-Szenarien erreicht das System bis zu 80 Prozent höhere IOPS. Gleichzeitig sinkt der CPU-Verbrauch pro I/O-Vorgang um rund 45 Prozent. Die Testumgebung bestand aus einem Dual-Socket-Server mit 208 logischen Prozessoren, 128 GB RAM und einer Solidigm-SB5PH27X038T-NVMe-SSD. Ein reproduzierbarer Testlauf erfolgt mit dem Befehl:

Die Parameter definieren Blockgröße, Random-Pattern, Thread-Anzahl, Outstanding-I/O-Werte sowie Laufzeit. Anpassungen erlauben die Simulation produktionsnaher Lastprofile.

Relevante Einsatzbereiche im Rechenzentrum

Transaktionsintensive Datenbanken wie Microsoft SQL Server profitieren unmittelbar von reduzierter Tail-Latency und höherer IOPS-Dichte. OLTP-Workloads mit gemischten Lese- und Schreibmustern skalieren unter hoher Parallelität stabiler.

Virtualisierungsumgebungen auf Basis von Hyper-V verkürzen Startzeiten von VMs, beschleunigen Checkpoints und reduzieren Storage-Contention bei parallelen I/O-Operationen. Auch File-Server mit hohem Metadatenanteil sowie Analyse- und KI-Workloads mit intensiven ETL- oder Cache-Zugriffen nutzen die geringere Latenz.

Aktivierung und technische Voraussetzungen

Native NVMe steht als allgemein verfügbare Funktion bereit, bleibt jedoch standardmäßig deaktiviert. Voraussetzung ist das aktuelle kumulative Update für Windows Server 2025. Anschließend erfolgt die Aktivierung über einen Registrierungseintrag mit administrativen Rechten. Der Befehl lautet:

Alternativ lässt sich die Richtlinie über ein bereitgestelltes Gruppenrichtlinien-MSI setzen und im lokalen Gruppenrichtlinien-Editor unter „Local Computer Policy“ und „Computer Configuration“ und „Administrative Templates“ aktivieren. Wichtig ist die Verwendung des Microsoft-eigenen NVMe-Treibers „StorNVMe.sys“. Hersteller-spezifische Treiber umgehen den neuen Stack, wodurch die Leistungsgewinne ausbleiben.

Validierung im Betrieb

Nach der Aktivierung erscheinen NVMe-Geräte im Geräte-Manager im Bereich „Storage disks“. Zur Leistungsanalyse eignen sich Performance Monitor und Windows Admin Center. Der Leistungsindikator „Physical Disk“ und „Disk Transfers/sec“ ermöglicht eine direkte IOPS-Beobachtung. Ein Vorher-nachher-Vergleich unter identischer Last liefert belastbare Aussagen zur Effektivität der Umstellung.

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