NVMe-Feature Was ist ein Host-Memory-Buffer (HMB)?

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Host-Memory-Buffer ist ein Feature der NVMe-Spezifikation. Es ermöglicht einem Solid State Drive (SSD), einen Teil des Arbeitsspeichers des Host-Rechners als Cache-Speicher zu nutzen. Host-Memory-Buffer macht eigenen DRAM in einer SSD überflüssig und trägt zur Performancesteigerung des Laufwerks bei.

HMB ist das Akronym für Host-Memory-Buffer. Es handelt sich um ein Feature der NVMe-Spezifikation (Non-Volatile Memory Express). NVMe ist ein Software-Protokoll zur Verbindung von SSDs (Solid State Drives) über die PCI-Express-Schnittstelle, ohne dass dafür herstellerspezifische Treiber benötigt werden.

Das HMB-Feature wurde mit der Version 1.2 der NVMe-Spezifikation eingeführt. Es ermöglicht einer SSD, einen Teil des DRAM (Arbeitsspeichers) des Host-Rechners als flüchtigen Zwischenspeicher zu verwenden. HMB macht eigenen DRAM in einer SSD überflüssig und steigert die I/O-Leistung des Laufwerks im Vergleich zu einer SSD ohne DRAM deutlich. Es wird annähernd die Performance einer SSD mit integriertem DRAM erreicht. Gleichzeitig sinken die Kosten für das Laufwerk.

Prinzipielle Funktionsweise eines Host-Memory-Buffers

In der NVMe-Spezifikation ist festgelegt, wie sich Teile des Arbeitsspeichers des Hostrechners von einer SSD reservieren lassen. Über das NVMe-Protokoll kommuniziert das Laufwerk mit dem Host. Es werden die Anforderungen, Bedingungen und Einschränkungen der DRAM-Speichernutzung definiert und ausgehandelt. Damit die Kommunikation funktioniert und das HMB-Feature genutzt werden kann, müssen sowohl das Laufwerk als auch das Betriebssystem des Hosts die HMB-Option im NVMe-Protokoll unterstützen. Für Windows ist die HMB-Unterstützung ab Windows 10 (Version 1703) vorhanden.

Ist einer SSD ein bestimmter Teil des Host-DRAM zugeteilt, erfolgt der Zugriff auf den Speicher über die PCI-Express-Schnittstelle und den Motherboard- beziehungsweise CPU-Chipsatz des Hosts. Das Laufwerk kann den flüchtigen Speicher beispielsweise als Cache für den File Translation Layer (FTL) verwenden. So lassen sich dort die L2P-Tabellen, die als Zuordnungstabellen der logischen Adressen zu den physischen Speicherorten der auf der SSD gespeicherten Daten dienen, ablegen. Dadurch erhöht sich die Zugriffsgeschwindigkeit auf die auf einer SSD gespeicherten Daten deutlich.

Die L2P-Tabellen sind im HMB kontinuierlich und mit hoher Geschwindigkeit aktualisierbar und abfragbar. Bei einem abgeschalteten Host werden die Tabellen dauerhaft im Flash-Speicher gespeichert. Da SSDs den Host-Memory-Buffer lediglich als Cache-Speicher nutzen, treten bei einem Ausfall des Hostrechners oder Betriebssystems nur bedingt Datenverluste oder Datenverfälschungen auf der SSD auf. Ohne HMB arbeitet die SSD wie ein nicht-flüchtiges Speicherlaufwerk ohne DRAM.

Vorteile der Host-Memory-Buffer-Funktion

Als Vorteile des HMB-Features lassen sich aufführen:

• kein eigenes DRAM in der SSD notwendig,

• kostengünstigere SSDs,

• kompaktere Bauweise und geringerer Platzbedarf der SSD,

• reduzierter Energiebedarf der SSD,

• ähnlich hohe I/O-Performance wie eine SSD mit eigenem DRAM,

• standardisiertes, herstellerunabhängig nutzbares Feature,

• von aktuellen Betriebssystemen unterstützt,

• nur ein geringer Anteil des Host-DRAMs vom SSD-Laufwerk benötigt,

• Rückforderung von Speicher durch den Host bei Bedarf möglich.

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