SATA, PCIe oder M.2 – Wo liegen die Unterschiede?

Wahrscheinlich ist es schon eine Weile her, dass Sie sich mit der Hauptplatine Ihres Rechners beschäftigt haben. Müssen Sie auch nicht, solange Sie einfach am PC oder Notebook sitzen und Alltagsaufgaben erledigen.

Doch spätestens, wenn Sie eine Komponente wie beispielsweise die Grafikkarte oder die SSD durch ein Upgrade ersetzen wollen, empfiehlt sich dringend eine Recherche der vorhandenen internen Anschlüsse und deren Verkabelung auf der Platine. Die Vorarbeit erspart Ihnen späteren Ärger: Sie entscheiden sich von vornherein für die richtige Komponente, die mechanisch passt und gleichzeitig ihre maximale Leistungsfähigkeit auch tatsächlich erreichen kann.

Im Fall von SSD und Grafikkarte begegnen Ihnen sofort die Schnittstellen SATA und PCI-Express. Dabei gilt SATA zwar als überholte Technik, sie ist jedoch vor allem bei vielen älteren Notebooks weiterhin von Bedeutung fürs Plattenupdate.

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Umgekehrt sieht es bei PCIe aus: Die Schnittstelle ist so leistungsfähig, dass sie nicht nur die Nachfolge von SATA erfolgreich angetreten hat, sondern in unterschiedlichen Versionen und Steckformaten vorkommt. Genau diese Vielseitigkeit kann Verwirrung stiften, die Sie mit etwas Anschluss-Knowhow jedoch erst gar nicht aufkommen lassen müssen.

SATA: Lange der Standard-Anschluss für Laufwerke

Serial-ATA oder S-ATA (abgekürzt SATA): Die Schnittstelle „Serial Advanced Technology Attachment“ diente lange Zeit als Standard für Massenspeicher und Wechselspeicher-Laufwerke wie etwa CDs und DVDs.

Heutzutage ist sie bei Magnetfestplatten und SSDs im 2,5-Zoll-Format sowie für den M.2-Slot verbreitet. Im Fall von SSDs nimmt die Beliebtheit zunehmend ab und wird von PCI-Express abgelöst. HDDs setzen nach wie vor auf die SATA-Schnittstelle.

Aktuell ist die Version SATA 6G, die Ihnen auch als SATA-III oder SATA-600 begegnet. Es handelt sich um die dritte Generation der SATA-Spezifikation mit einer theoretischen Transferrate von 600 MByte/s, woraus sich die Bezeichnung SATA-600 ableitet.

In der Praxis mit SATA-SSDs sind sequenzielle Datentransfers von über 500 MB/s im Schreiben und etwa 550 MB/s im Lesen möglich. SATA 6G ist rückwärtskompatibel. Allerdings dürften die Vorgängerversionen SATA-I und -II nur noch ganz selten im Einsatz sein.

eSATA: Die SATA-Schnittstelle für externe Festplatten

Der externe SATA-Anschluss external SATA oder kurz eSATA führt die interne Schnittstelle nach außen, um ein externes Laufwerk anzuschließen. Zusätzliche Bausteine wie etwa bei USB benötigt sie dazu nicht. eSATA arbeitet mit der gleichen Übertragungsrate wie SATA. Allerdings sieht die externe Schnittstelle spezielle Kabel und Stecker vor.

Außerdem lässt sich über eSATA kein Strom übertragen. Deshalb muss das mobile Laufwerk meist über ein separates Netzteil mit Strom versorgt werden. Gerade für den Einsatz bei Notebooks stellt sich die fehlende Stromversorgung als unpraktisch heraus.

Deshalb kommt hier vielfach eine Kombibuchse zum Einsatz, die eSATA mit USB in einem Anschluss vereint. Über den USB-Teil erhält das angeschlossene eSATA-Gerät den Strom. Die Datenübertragung läuft über den eSATA-Teil.

Inzwischen sind derartige Anschlüsse nicht mehr an Notebookgehäusen zu finden. USB hat sie dank seiner Vielseitigkeit abgelöst. Verwendung finden eSATA-Ports jedoch noch vereinzelt an Netzwerkspeichern (NAS), um daran eine externe Festplatte anzuschließen.

SATAe: Nachfolgeanschluss, der sich nicht durchsetzen konnte

SATAe oder SATA Express ist als Nachfolger von SATA 6G gedacht gewesen, hat sich jedoch nicht durchgesetzt.

Die Idee war, bei SSDs anstelle von SATA für die physikalische Übertragung PCI Express zu nutzen. Indem zwei SATA-Ports gebündelt und per PCI-Express übertragen werden, sollte sich das bisherige SATA-6G-Tempo verdoppeln. Auf diese Weise kommt eine PCIe-x2-Verbindung zustande. Bei PCIe 2.0 entspricht das 1000 MByte/s, bei PCIe-3.0 2000 MByte/s.

Um SATAe abwärtskompatibel zu halten, ist der Stecker dreiteilig aufgebaut. Mit dem Anschluss lassen sich zwei SATA-Festplatten verbinden. Das Übertragungstempo fällt dann auf SATA zurück. Neben den beiden SATA-Buchsen hat er einen Bereich für die PCIe-Taktsignale sowie die Stromversorgung.

Entsprechende Flashlaufwerke haben sich jedoch nie durchgesetzt. Hauptgrund dafür ist die Limitierung auf zwei PCIe-Lanes. Zum Vergleich: M.2-SSD-Laufwerke nutzen bis zu vier PCIe-Lanes. Bei PCIe 3.0 kommen sie so auf nahezu 4000 MByte/s.

PCIe: Universalschnittstelle für viele Rechnerkomponenten

Die Schnittstelle „Peripheral Component Interconnect Express“ – kurz: PCI-Express oder PCIe – verbindet die Komponenten direkt mit dem Prozessor und/oder dem I/O-Hub. Das Kürzel PCIe ist stets mit einer Zahl gekoppelt, aus der die Generation und damit die theoretisch maximale Transfergeschwindigkeit hervorgeht.

Als serielles Übertragungsverfahren nutzt PCIe sogenannte Lanes, die sich bündeln lassen, um die Datentransferrate zu erhöhen. Je höher die PCIe-Versionsnummer, desto höher fällt auch das Transfertempo pro Lane aus.

Abhängig von der jeweiligen Komponente unterscheidet sich die Anzahl an Lanes, die zur idealen Ansteuerung nötig sind. Sie geht aus der Zahl nach dem Buchstaben „x“ hervor, die gleichzeitig auch die unterschiedlichen Slotgrößen auf dem Mainboard kennzeichnet – etwa x1, x4, x8 oder x16. Dabei ist ein x1-Steckplatz sehr kurz, während ein x16-Slot vergleichsweise lang ausfällt.

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PCIe-Übertragungsgeschwindigkeit: Sie ist eine Kombination aus der PCIe-Version und der Anzahl an Lanes. Beispielsweise liegt bei PCIe 3.0 die Symbolrate pro Lane bei 8 GT/s (Gigatransfers pro Sekunde). Das entspricht einer Bandbreite von 970 MByte/s pro Lane. Bei PCIe 3.0 x4 sind theoretisch 3,9 GByte/s möglich.

Die praktisch nutzbare Datenrate liegt jedoch darunter. Der Grund: Neben der reinen Datenübertragung nutzen auch Übertragungsprotokolle die Bandbreite.

PEG-Slot – der extra Steckplatz für die Grafikkarte

PEG steht für PCI Express for Graphics und beschreibt einen Steckplatz auf dem Mainboard, der für die Grafikkarte vorgesehen ist. Er ist mit bis zu 16 PCIe-Lanes ausgestattet und kann maximal 75 Watt Leistung bereitstellen. Andere PCIe-Slots sind dagegen auf höchstens 25 oder sogar nur 10 Watt limitiert.

Da die Stromversorgung allein über den Steckplatz vielfach nicht für eine Grafikkarte ausreicht, lässt sich über eine zusätzliche Verbindung zum Netzteil die Energiezufuhr zur GPU erhöhen. Dabei stellt ein 6-poliger Steckverbinder weitere 75 Watt, ein 6- bis 8-poliges Kabel maximal zusätzliche 150 Watt zur Verfügung.

Bei Hochleistungs-Grafikkarten für Spieler können auch mehrere 8-Pin-Kabel nötig sein, um den Strombedarf zu decken.

Wie hoch der Energiehunger aktueller GPUs ist, lässt sich am Beispiel von Nvidia zeigen. Seit der Geforce-RTX-3000-Serie hat sich der Hersteller für einen 12-Pin-Stromanschluss entschieden, der auf bis zu 600 Watt zusätzlicher Leistung ausgelegt sein kann.

Die technischen Daten zur Grafikkarte liefern die Infos, welche Stromstecker kompatibel sind. In der Regel liegen die Kabel dem Netzteil bei. In seltenen Fällen liefert der Grafikkartenhersteller auch passende Kabel mit. Ein entsprechend potentes Netzteil ist dabei zwingende Voraussetzung.

Flexibel, aber verwirrend: PCIe-Slots und Lane-Aufteilung

PCI-Express entpuppt sich in der Praxis als sehr flexibel. So ist beispielsweise jede Generation abwärtskompatibel. Sie können deshalb eine PCIe-4.0-Grafikkarte auch auf einem PCIe-3.0-Mainboard betreiben.

Allerdings fällt die Datentransferleistung auf das niedrigere Tempo des Hostsystems zurück. Gleichzeitig lässt sich eine PCIe-1.0- Karte auch in einem Rechner mit höherer PCI-Express-Version nutzen. Schneller arbeiten wird sie deshalb aber nicht.

Mehr noch: Sie können sogar die Steckplätze flexibel einsetzen. So wird eine x1-Karte auch in einem x4-Steckplatz funktionieren. Allerdings gilt es die Mainboard-Architektur zu beachten. Denn nicht jeder Steckplatz ist automatisch auch mit vollen Lanes beschaltet.

Gibt es zum Beispiel zwei PEG-Steckplätze, von denen einer mit einer Grafikkarte besetzt ist, wird sie mit 16 Lanes versorgt. Deshalb bleiben für den zweiten Slot gar keine Lanes mehr übrig.

Es ist jedoch auch möglich, dass acht Lanes automatisch auf den zweiten Slot geschaltet werden, sobald dort eine Karte eingesteckt ist. Das gilt auch dann, wenn die Karte diese Lane-Anzahl gar nicht benötigt. Die Beschaltungen sind so vielfältig, dass nur das Studium des Mainboard-Handbuchs Auskunft gibt, wie sie im Einzelfall ausfällt.

PCIe per M.2-Steckplatz für kompakte Solid State Disks (SSDs)

M.2 ist eine Schnittstellenspezifikation, die aus dem Next Generation Form Factor (NGFF) hervorgegangen ist. Über die kompakte Steckfassung lassen sich besonders kleine Module per PCIe mit bis zu vier Lanes anschließen.

Da sich so der limitierende Faktor von SATA bei der Transfergeschwindigkeit locker überwinden lässt, hat sich M.2 bei internen SSDs schnell durchgesetzt – beispielsweise in besonders flachen Notebooks (Ultrabooks).

Der Steckplatz gibt die Größe der M.2-SSD vor. Auf den meisten Mainboards treffen Sie M.2 mit der Kennung 2280 an. Sie steht für 22 Millimeter Breite und 80 Millimeter Länge. Die Angabe ist wichtig, da sie nicht nur die Größe der passenden Karte, sondern auch die Position der Befestigungsschraube bestimmt. Weitere Größen sind 2230, 2242 oder 22110, die sich jeweils nur in der Länge unterscheiden.

SSDs für den M.2-Steckplatz nutzen das NVMe-Transferprotokoll (Non-Volatile Memory Express), das PCIe zum Übertragen einsetzt. Deshalb werden sie auch als NVMe- SSDs bezeichnet. Um von einer M.2- SSD booten zu können, benötigt der Rechner im Bios einen NVMe-Treiber. Inzwischen ist das fast ausnahmslos der Fall. Genauso sind in alle gängigen Betriebssysteme NVMe-Treiber integriert.

Besonderheiten bei M.2-SSDs: Der M.2-Steckplatz ist nicht nur SSDs mit PCIe-Controller vorbehalten. Es gibt auch Kombi-Slots, die zusätzlich SATA-SSDs aufnehmen und ansteuern können. Sobald der M.2-Slot mit einer SATA-SSD belegt ist, schaltet er von PCIe auf SATA um.

Der Tempovorteil von PCIe geht damit verloren. Sogar reine SATA-M.2-Steckplätze sind noch auf älteren Notebook-Platinen oder bei Gehäusen für externe SSDs zu finden.

Welche M.2-SSD vorliegt, erkennen Sie an den Aussparungen am Anschluss des Moduls, die als „Keys“ bezeichnet werden. Sie stellen sicher, dass sich nur kompatible Karten im Steckplatz einsetzen lassen. M.2-SSDs für PCIe (x2 und x4) erkennen Sie an einer Aussparung – Key M. Varianten mit zwei Aussparungen rechts und links (Keys B+M) unterstützen meist nur PCIe x2 oder SATA.

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