Steckverbinder für PCIe-SSDs Was ist U.2?

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U.2 ist ein Steckverbinder für 2,5-Zoll- oder 3,5-Zoll-PCIe-SSDs, die über das speziell für nichtflüchtige Speicher entwickelte Protokoll NVMe Express kommunizieren. Bislang kommt dieser überwiegend in Unternehmen zur Anbindung der schnellen Medien an Server oder Storage-Systeme zum Einsatz.

Bei den Ende 2011 veröffentlichten Spezifikationen wurde die Schnittstelle noch unter der Bezeichnung SFF-8639 (Small Form Factor) geführt, im Juni 2015 erfolgte dann der Wechsel auf den einprägsameren, an den M.2-Formfaktor angelehnten neuen Namen.

Ziel der SSD Form Factor Working Group (SFFWG) war es, damit eine einheitliche und für Verbraucher verständlichere Nomenklatur zu schaffen. Allerdings ist dabei zu beachten, dass U.2 im Gegensatz zu M.2 nicht für eine Bauart steht, sondern lediglich für die PCIe-3.0-x4-Steckverbindung.

U.2 beerbt SATA Express (SATAe)

Mit der Entwicklung von U.2 reagierte die Industrie darauf, dass traditionelle SATA-Laufwerke in puncto Geschwindigkeit und Latenz schrittweise an Grenzen stießen. Um mehr Leistung aus SSDs herauszuholen, bot es sich an, auf die 2004 eingeführte PCIe-Schnittstelle zu setzen.

Als erste Zwischenlösung kam 2013 der Standard SATA Express (SATAe) auf. Dieser kombinierte die verbreitete PCIe-Verbindungstechnik mit dem SATA-Protokoll, so dass sich die klassischen Laufwerke nunmehr über zwei SATA-Ports mit PCIe anbinden ließen.

Dadurch blieb die Abwärtskompatibilität zu SATA gewahrt, jedoch konnten für die Datenübertragung nunmehr zwei PCIe-Lanes genutzt werden. Doch mit dem Einzug von 2,5-Zoll SSDs, die mit dem schnellen für PCIe optimierten NVMe-Protokoll arbeiten, erwies sich auch SATAe als zu langsam.

„U“ steht für Universal

Als Nachfolger wird der U.2-Konnektor gehandelt, der bis zu vier PCIe 3.0-Lanes unterstützt. Neuere U.2-SSDs nutzen PCIe 4.0 x4 (bis 7.000 MB/s sequentiell, 870.000 IOPS Random-Read) oder PCIe 5.0, mit Kapazitäten bis 7,68 TB und Endurance von 1 bis 3 DWPD für den Enterprise-Einsatz. Entsprechende Datenträger bieten beispielsweise Power-Loss-Protection (PLP) und AES-256-Verschlüsselung (TCG Opal 2.0), was die Datenintegrität bei Server-Ausfällen sichert.

Wenngleich das Pin-Layout auf den ersten Blick dem eines SAS-Steckers gleicht, sind mehr Kontakte vorhanden. Dadurch lassen sich weiterhin sowohl SATA- und SATA-Express- als auch SAS-Laufwerke anschließen, jedoch auch PCIe-SSDs mit NVMe.

Für die Anbindung werden die in 2,5- beziehungsweise 3,5-Zoll-Gehäusen verbauten U.2-Speichermedien üblicherweise in hierfür vorgesehenen PCIe-Server-Steckplätzen oder aber in Backplanes untergebracht und über ein Kabel an die auf dem Mainboard implementierte U.2-Buchse angeschlossen. Diese Konfiguration bietet den Vorteil, das sich die SSDs im laufenden Betrieb leicht warten und jederzeit austauschen lassen (Hot-Swap). Steht auf dem Mainboard lediglich ein M.2-Steckplatz zur Verfügung, können die U.2-Laufwerke dennoch mit Hilfe eines M.2- auf U.2-Adapter angeschlossen werden.

U.2-SSDs gibt es mit einer Höhe von 7 mm (für dichte Server-Racks) oder 15 mm mit Kühlkörper für hohe Lasten (bis 85 °C für den industriellen Einsatz). In Backplanes (beispielsweise 10 bis 24 Slots) ermöglichen sie Scale-Out in HCI-Systemen, wobei erhältliche Adapter (M.2 zu U.2) den Consumer-Einstieg erleichtern.

Ein weiterer Vorteil des U.2-Steckers besteht darin, dass er Dual-Port-fähig ist; dies sorgt für Hochverfügbarkeit.

Status und Ausblick

Bislang finden sich überwiegend Enterprise U.2-SSDs am Markt, die vergleichsweise teuer sind. Daher kommen sie vorerst im Unternehmensumfeld in Servern und Speichersystemen zum Einsatz. Da neue Prozessorarchitekturen die Zahl der nutzbaren PCI-Lanes pro CPU erhöhen, ist davon auszugehen, dass die Serverhersteller künftig mit mehr U.2-Slots ausgestattete Systeme anbieten werden. Derzeit sind bereits Lösungen mit 10, 12 oder 24 U.2-Steckplätzen zu haben.

Bis sich U.2-SSDs im Consumer-Geschäft durchsetzt, wird voraussichtlich noch einige Zeit vergehen. Das liegt in erster Linie daran, dass sich das Angebot der speziell für den Desktop-Einsatz verfügbaren Laufwerke momentan noch auf die 2015 von Intel eingeführte 750er-Produktfamilie beschränkt. Alternativ lässt sich zwar ebenso auf kostspielige Server-SSDs zurückgreifen, allerdings muss in diesem Fall weiteres Geld für Adapter, Kabel und gegebenenfalls eine Backplane in die Hand genommen werden.

Neue Entwicklungen wie EDSFF (E3.S/E1.L) ersetzen U.2 in High-Density-Servern durch kompakteres Design und bessere Kühlung, während PCIe 5.0 die Leistung von U.2-SSDs weiter steigert, indem es die Bandbreite verdoppelt und höhere Durchsatzraten für Enterprise-Storage ermöglicht. Im Consumer-Bereich wachsen Optionen (zum Beispiel via PCIe-Adapter), doch dominieren Enterprise-SSDs (für den Einsatz im Server) den Markt für U.2-SSDs, da sie Power-Loss-Protection (PLP) bieten und für einen Rund-um-die-Uhr-Betrieb (24/7) ausgelegt sind.

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