SSD - Solid State Disk
Solid-State-Discs, kurz SSD, sind Massenspeicher, vergleichbar mit einer Festplatte. Im Gegensatz zu Festplatten haben SSDs keine beweglichen und mechanischen Teile. Bei der SSD ist das Speichermedium ein Flash-Speicher (z. B. NAND-Flash).
Flash-Speicher wird hauptsächlich in mobilen Endgeräten, wie Handys, Digitalkameras und MP3-Player, eingesetzt. Flash-Speicher arbeitet vollkommen geräuschlos, hat kurze Zugriffszeiten und schont den Akku, weil keine mechanischen Teile durch Motoren bewegt werden müssen.
Die SSD wird wie eine herkömmliche Festplatte angesprochen. Um einen bestimmten Sektor zu lesen, muss eine Festplatte die Köpfe auf die richtige Spur bewegen. Diese Bewegung unterliegt einer gewissen mechanische Trägheit, die überwunden werden muss. Dann vergeht noch eine geringe Latenzzeit, bis der gewünschte Sektor am Lesekopf vorbeidreht. Dieser Zeitverlust fällt bei der SSD weg. SSDs zeichnen sich also durch eine sehr hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit, sowie einen geringeren Energieverbrauch aus.
Vorteile von SSD (Solid State Disc)
- hohe Transferraten
- kurze Zugriffszeiten, vor allem beim Lesen
- niedrige Leistungsaufnahme
- geräuschloser Betrieb
Lesen und Schreiben
Beim Lesen holt der Flash-Controller immer 2 bis 4 kByte aus den Flash-Zellen und schreibt sie in einen Pufferspeicher. Da beim Lesen keine Lese-/Schreibköpfe mechanisch positioniert werden müssen ergeben sich äußerst geringe Zugriffszeiten.
Während das Lesen sehr schnell geht, gestaltet sich das Schreiben von Daten etwas aufwändiger. Flash-Speicher ist blockweise organisiert. Typischerweise hat ein Speicherblock 128 bis 512 kByte. Auch dann, wenn es nur ein paar Bit sind, muss der betreffende Block vollständig neu geschrieben werden. Vor dem Beschreiben einer Speicherzelle, muss sie gelöscht werden. Dazu wird eine hohe Löschspannung angelegt. Dabei verlieren alle Zellen dieses Blocks ihren Inhalt. Erst dann werden die Daten geändert und dann wieder zurück geschrieben. Dieser Vorgang führt dazu, dass schnelle Festplatten beim Schreiben schneller sein können.
Um die niedrige Schreibgeschwindigkeit zu beschleunigen wird der Flash-Speicher um einen Puffer ergänzt. Davon profitiert vor allem NCQ. NCQ fängt die Schreibzugriffe ab und sortiert sie um, damit sie möglichst intelligent auf die einzelnen Speicherblöcke verteilt werden. Obwohl dieses Verfahren mit dem Namen NCQ (Native Command Queuing) für herkömmliche Festplatten eingeführt wurde, ermöglicht es auch SSDs einen Geschwindigkeitsgewinn.
Bei normalem Nutzungsverhalten machen sich die hohen Zugriffszeiten beim Schreiben nicht negativ bemerkbar. Die meisten Daten werden immer noch aus dem Speicher gelesen. Schreibzugriffe treten wesentlich seltener auf.
SLC-SSD und MLC-SSD
| SLC (Single Level Cell) | MLC (Multi Level Cell) | |
|---|---|---|
| Lebensdauer | 100.000 Schreibvorgänge | 10.000 Schreibvorgänge |
| Fehlerrate | sehr niedrig | hoch (ausgefeilte Fehlerkorrekturmaßnahmen notwendig) |
| Geschwindigkeit | sehr hoch | niedrig |
| Stromverbrauch | sehr niedrig | hoch |
| Preis | > 10 Euro pro GByte | 2 bis 4 Euro pro GByte |
SSDs mit SLC-Flash sind sehr zuverlässig und dafür teuer. SSDs mit MLC-Flash haben eine langsamere Schreibgeschwindigkeit und weisen eine geringere Haltbarkeit gegenüber SLCs auf. Dafür sind MLCs günstig, aber eben weniger zuverlässig. Mit Wear Leveling versucht man diese Nachteile zu kompensieren. Die langsamere Schreibgeschwindigkeit ist nicht so das Problem. Bei der typischen PC-Nutzung werden sehr viel mehr Daten gelesen als geschrieben.
Aufbau einer SSD
Wear-Leveling
Ein Hauptproblem von Flash-Speicher und damit auch bei SSDs ist die begrenzte Lebensdauer. Je nach Flash-Typ geht eine Speicherzelle nach rund 10.000 oder 100.000 Speichervorgängen kaputt. Zwar wird nicht der gesamte Speicher zerstört. Doch es machen sich Verschleißerscheinungen bemerkbar, die auch zu Datenverlust führen können. Deshalb ist ein ständig auf den Speicher schreibendes Betriebssystem, wie Windows, für Flash-Speicher eher ungeeignet.
Leistungsvermögen und Lebensdauer von Solid State Disks stehen und fallen mit den verwendeten Controllern. Die Arbeitsgeschwindigkeit der Flash-Chips und des Controllers bestimmen die Geschwindigkeit der SSDs.
Solange eine SSD nur wenig befüllt ist, hat der Controller keine Schwierigkeiten die Daten auf dem Speicher zu verteilen. Bei zunehmender Speicherbelegung gehen dem Controller die unbelegten Speicherblöcke aus und muss die Daten auf verschiedene Blöcke verteilen. Wenn dann nur noch teilweise beschriebene Blöcke vorhanden sind, dann muss der Controller diese Blöcke lesen, modifizieren und wieder zurückschreiben. Das kostet Zeit und macht sich mit größeren Verzögerungszeiten und geringen Transferraten bemerkbar. Aus diesem Grund werden SSDs im Lauf der Zeit beim Schreiben immer langsamer.
Um diesen Effekt möglichst lange hinauszuzögern, ist es empfehlenswert Defragmentierung, Dateiindexierung und Prefetching des Betriebssystems abzuschalten. SSDs brauchen diese Optimierungsmechanismen aufgrund ihrer geringen Lesezugriffszeit überhaupt nicht. Im Gegenteil: Sie schaden, weil unnötigerweise sehr viele zusätzliche Schreibzugriffe anfallen. Dadurch brauchen normale Schreibzugriffe länger und die Lebensdauer des Flash-Speichers reduziert.
Hohe Performance erreichen bisher nur SSDs mit rechenstarken Controllern, die ausgefeilte Wear-Leveling-Algorithmen beherrschen, viele Flash-Chips parallel anbinden und SDRAM-Cache nutzen. Eine Zwischenlösung zwischen Festplatten und SSDs sind Hybrid-Festplatten, die neben dem Plattenspeicher auch einen Chip-Speicher haben, der das Booten des Betriebssystems und den Start von Anwendungen beschleunigen kann.
Bad Block Management
Das Bad Block Management überwacht die Flashzellen auf Abnutzung. Wird eine Flashzelle zu stark abgenutzt, wird sie als fehlerhaft markiert und als Ersatz eine Zelle aus der Reserve verwendet.
Bei SLC-SSDs ist die Gefahr der Abnutzung nicht so groß. Hier steht in der Regel eine Reserve von 2% der Gesamtspeicherkapazität zur Verfügung. Bei MLC-SSDs ist die Abnutzung größer. Hier steht in der Regel eine Reserve von 7% zur Verfügung.
Durch das Bad Block Management steigt die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der SSD.
Error Correction Code / Error Detection Code
Bei ECC und EDC geht es um das Erkennen und die Korrektur von Bitfehlern. Die Anzahl der Bitfehler nimmt zu, wenn eine Flashzelle in die Nähe ihrer maximalen Schreib-/Löschzyklen kommt. In dem Fall schlägt das Bad Block Management zu. Doch schon vorher kann es zu einem Bitfehler kommen. Die Folgen könnten zum Beispiel Datenverlust oder inkonsistente Daten sein.
Bei MLC-SSDs kommen 24 Bit für die Fehlerkorrektur auf 1 kByte. Bei SLC-SSDs kommen nur 8 Bit für die Fehlerkorrektur auf 512 Byte. Die Gefahr durch Bitfehler ist bei SLC-SSDs geringer.
Garbage Collection
Hinter Garbage Collection steckt ein Hintergrundprozess, der vom Betriebssystem mit dem TRIM-Befehl angestoßen wird.
Da beim Löschen einer Datei nur der Name im Dateisystem gelöscht wird und die eigentliche Informationen in den Speicherzellen erhalten bleiben kann das Betriebssystem nicht geleerte Speicherzellen prüfen und leeren lassen. Dadurch steigt die Schreibgeschwindigkeit bei gelöschten Zellen
Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von SSDs
Es wurde bereits die begrenzte Lebensdauer von Flash-Speicher und damit von SSDs angesprochen. Hierzu gibt es folgende Erkenntnisse:
Die Anzahl der möglichen Schreib- bzw. Löschzyklen lässt keine direkten Rückschlüsse auf die Haltbarkeit oder die Zuverlässigkeit zu. Anders als bei Festplatten besteht zwischen den Speicherzellen und den Sektoren des Dateisystems keine direkte Zuordnung. Generell verteilt der Flash-Controller die Schreibzugriffe gleichmäßig über alle Zellen. Die Daten in Zellen, die mit selten veränderten Daten, wie Betriebssystem und Programmen belegt sind, werden ab und zu umgeschichtet, um so wieder weniger stark abgenutzte Zellen zu bekommen.
Generell kann man davon ausgehen, dass SSDs im alltäglichen Desktop-Betrieb länger halten, als von den Herstellern angegeben.
Übersicht: Festplatten
Übersicht: Schnittstellen für SSDs
- SATA / Serial ATA / S-ATA
- SATA-II / Serial-ATA-II
- SATA-3 / SATA 6G / SATA-600
- SAS - Serial Attached SCSI
- SATA Express
- PCI Express
- FibreChannel
- Infiniband