Solid-State Drive (SSD)

Was ist eine SSD?

Ein SSD oder Solid-State-Laufwerk ist eine Art von Speichergerät, das in Computern verwendet wird. Dieses nichtflüchtige Speichermedium speichert dauerhafte Daten auf einem Solid-State-Flash-Speicher. SSDs ersetzen herkömmliche Festplattenlaufwerke (HDDs) in Computern und erfüllen dieselben grundlegenden Funktionen wie ein Festplattenlaufwerk. Allerdings sind SSDs im Vergleich deutlich schneller. Mit einer SSD fährt das Betriebssystem des Geräts schneller hoch, Programme werden schneller geladen und Dateien können schneller gespeichert werden.

Eine herkömmliche Festplatte besteht aus einer sich drehenden Scheibe mit einem Lese-/Schreibkopf an einem mechanischen Arm, dem sogenannten Aktuator. Eine HDD liest und schreibt Daten magnetisch. Die magnetischen Eigenschaften können jedoch zu mechanischen Ausfällen führen.

Im Vergleich dazu gibt es bei einer SSD keine beweglichen Teile, die kaputt gehen oder sich hoch- oder runterdrehen können. Die beiden Hauptkomponenten einer SSD sind der Flash-Controller und die NAND-Flash-Speicherchips. Diese Konfiguration ist für eine hohe Lese-/Schreibleistung bei sequenziellen und zufälligen Datenanforderungen optimiert.

SSDs werden überall dort eingesetzt, wo auch Festplatten eingesetzt werden können. In Verbraucherprodukten werden sie zum Beispiel in PCs, Laptops, Computerspielen, Digitalkameras, digitalen Musikplayern, Smartphones, Tablets und USB-Sticks eingesetzt. Sie werden auch in Grafikkarten eingebaut. Sie sind jedoch teurer als herkömmliche Festplatten.

Unternehmen mit einem schnell wachsenden Bedarf an höherem Input/Output (I/O) haben die Entwicklung und Einführung von SSDs vorangetrieben. Da SSDs eine geringere Latenzzeit als HDDs aufweisen, können sie sowohl schwere Lese- als auch Zufallsarbeitslasten (Random Access) effizient bewältigen. Diese geringere Latenzzeit ergibt sich aus der Fähigkeit einer Flash-SSD, Daten direkt und unmittelbar aus gespeicherten Datensätzen zu lesen.

Hochleistungsserver, Laptops, Desktops oder jede Anwendung, die Informationen in Echtzeit bereitstellen muss, kann von der SSD-Technologie profitieren. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich SSDs für Unternehmen, um Lesevorgänge von transaktionslastigen Datenbanken zu entlasten. Sie können auch dazu beitragen, Boot-Stürme mit einer virtuellen Desktop-Infrastruktur zu lindern oder in einem Speicher-Array häufig genutzte Daten lokal in einer Hybrid Cloud zu speichern.

Wie funktionieren SSDs?

Eine SSD liest und schreibt Daten auf darunter liegende, miteinander verbundene Flash-Speicherchips, die aus Silizium bestehen. Die Hersteller bauen SSDs, indem sie die Chips in einem Raster stapeln, um unterschiedliche Speicherdichten zu erreichen.

SSDs lesen und schreiben Daten in einen darunter liegenden Satz von miteinander verbundenen Flash-Speicherchips. Diese Chips verwenden Floating-Gate-Transistoren (FGTs), um eine elektrische Ladung zu halten, die es der SSD ermöglicht, Daten zu speichern, auch wenn sie nicht an eine Stromquelle angeschlossen ist. Jeder FGT enthält ein einzelnes Datenbit, das entweder als 1 für eine geladene Zelle oder als 0 bezeichnet wird, wenn die Zelle keine elektrische Ladung hat.

Jeder Datenblock ist mit gleichbleibender Geschwindigkeit zugänglich. SSDs können jedoch nur auf leere Blöcke schreiben. Und obwohl SSDs über Hilfsmittel verfügen, um dieses Problem zu umgehen, kann die Leistung mit der Zeit dennoch nachlassen.

SSDs verwenden drei Haupttypen von Speicher: Single-, Multi- und Triple-Level Cell. Single-Level Cells können jeweils ein Datenbit speichern – eine Eins oder eine Null. Single-Level Cells (SLCs) sind die teuerste Form von SSDs, aber auch die schnellste und haltbarste. Multi-Level Cells (MLCs) können zwei Datenbits pro Zelle speichern und verfügen über eine größere Speicherkapazität bei gleichem Platzbedarf wie eine SLC. Allerdings haben MLCs langsamere Schreibgeschwindigkeiten. Triple-Level Cells (TLCs) können drei Datenbits pro Zelle speichern. TLCs sind zwar billiger, haben aber auch langsamere Schreibgeschwindigkeiten und sind weniger haltbar als andere Speichertypen. TLC-basierte SSDs bieten mehr Flash-Kapazität und sind preiswerter als MLC- oder SLC-Speicher, allerdings ist die Wahrscheinlichkeit von Bitfehlern aufgrund der acht Zustände innerhalb der Zelle höher. 

Was sind die wichtigsten Merkmale von SSDs?

Das Design einer SSD zeichnet sich durch mehrere Merkmale aus. Da sie keine beweglichen Teile hat, ist eine SSD nicht denselben mechanischen Fehlern ausgesetzt, die bei Festplatten auftreten können. SSDs sind außerdem leiser und verbrauchen weniger Strom. Und da SSDs weniger wiegen als Festplatten, eignen sie sich gut für Laptops und mobile Computergeräte.

Darüber hinaus enthält die Software des SSD-Controllers prädiktive Analysen, die den Benutzer vor einem möglichen Ausfall des Laufwerks warnen können. Da Flash-Speicher formbar ist, können Anbieter von All-Flash-Arrays die nutzbare Speicherkapazität durch Datenreduzierungstechniken wie Deduplizierung optimieren.

Was sind die Vorteile von SSDs?

Zu den Vorteilen von SSDs gegenüber HDDs gehören:

• Schnellere Lese-/Schreibgeschwindigkeiten. SSDs können schnell auf große Dateien zugreifen.
• Schnellere Startzeiten und bessere Leistung. Da das Laufwerk nicht wie eine HDD hochfahren muss, ist es reaktionsschneller und bietet eine bessere Ladeleistung.
• Langlebigkeit. SSDs sind stoßfester und wärmebeständiger als HDDs, da sie keine beweglichen Teile haben.
• Stromverbrauch. SSDs benötigen weniger Strom als HDDs, da sie keine beweglichen Teile haben.
• Leiser. SSDs erzeugen weniger hörbare Geräusche, da es keine beweglichen oder rotierenden Teile gibt.
• Größe. SSDs sind in einer Vielzahl von Formfaktoren erhältlich, während die Größe von HDDs begrenzt ist.

Was sind die Nachteile von SSDs?

Zu den Nachteilen von SSDs gehören:

• Kosten. SSDs sind teurer als herkömmliche HDDs.
• Lebenserwartung. Einige SSDs, zum Beispiel solche mit NAND-Flash-Speicherchips, können nur eine bestimmte Anzahl von Schreibvorgängen durchführen, die in der Regel geringer ist als bei HDDs.
• Leistung. Die Begrenzung der Anzahl der Schreibzyklen führt dazu, dass die Leistung von SSDs mit der Zeit abnimmt.
• Speicheroptionen. Aus Kostengründen werden SSDs in der Regel in kleineren Größen verkauft.
• Datenwiederherstellung. Dieser zeitaufwändige Prozess kann teuer sein, da die Daten auf beschädigten Chips möglicherweise nicht wiederhergestellt werden können.

Welche Arten von nichtflüchtigem Speicher gibt es bei SSDs?

NAND- und NOR-Schaltungen unterscheiden sich durch die Art des verwendeten Logikgatters. NAND-Geräte verwenden einen seriellen Zugriff auf Daten mit acht Pins. NOR-Flash-Speicher werden dagegen häufig in Mobiltelefonen verwendet und unterstützen 1-Byte-Zufallszugriff (Random Access).

Im Vergleich zu NAND bietet NOR-Flash schnelle Lesezeiten, ist aber im Allgemeinen eine teurere Speichertechnologie. NOR schreibt Daten in großen Blöcken, was bedeutet, dass es länger dauert, Daten zu löschen und neue Daten zu schreiben. Die Direktzugriffsfunktionen von NOR werden für die Ausführung von Code verwendet, während NAND-Flash für die Speicherung gedacht ist. Die meisten Smartphones unterstützen beide Arten von Flash-Speicher, wobei NOR zum Hochfahren des Betriebssystems und austauschbare NAND-Karten zur Erweiterung der Speicherkapazität des Geräts verwendet werden.

Welche Arten von SSDs gibt es?

Zu den Arten von SSDs gehören:

• Solid-State-Laufwerke. Einfache SSDs bieten die geringste Leistung. SSDs sind Flash-Geräte, die über Serial Advanced Technology Attachment (SATA) oder Serial-Attached SCSI (SAS) angeschlossen werden und einen kostengünstigen Einstieg in die Solid-State-Welt bieten. Für viele Umgebungen reicht die Leistungssteigerung bei den sequenziellen Lesegeschwindigkeiten einer SATA- oder SAS-SSD aus.
• PCIe-basierter Flash. Peripheral Component Interconnect Express-basierter Flash-Speicher ist der nächste Schritt in Richtung Leistung. Diese Geräte bieten zwar in der Regel einen höheren Durchsatz und mehr Eingabe-/Ausgabevorgänge (I/O) pro Sekunde, der größte Vorteil ist jedoch die deutlich geringere Latenz. Der Nachteil ist, dass die meisten dieser Angebote einen benutzerdefinierten Treiber erfordern und nur über eine begrenzte integrierte Data Protection verfügen.
• Flash-DIMMs. Flash Dual-Inline Memory Modules reduzieren die Latenzzeit und gehen noch weiter als PCIe-Flash-Karten, da sie die potenzielle PCIe-Buskonkurrenz ausschalten. Sie erfordern benutzerdefinierte Treiber, die nur für Flash-DIMMS geeignet sind, sowie spezielle Änderungen am Nur-Lese-I/O-System auf dem Motherboard.
• NVMe-SSDs. Diese SSDs verwenden die Spezifikation der NVMe-Schnittstelle (Non Volatile Memory Express). Diese beschleunigt die Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen Client-Systemen und Solid-State-Laufwerken über einen PCIe-Bus. NVMe-SSDs sind für nichtflüchtige Hochleistungsspeicher konzipiert und eignen sich gut für sehr anspruchsvolle, rechenintensive Umgebungen.
• NVMe-oF. Das NVMe-over-Fabrics-Protokoll ermöglicht Datenübertragungen zwischen einem Host-Computer und einem Ziel-Solid-State-Speichergerät. NVMe-oF überträgt Daten über Methoden wie Ethernet, Fibre Channeloder InfiniBand.
• Hybrider DRAM-Flash-Speicher. Diese DRAM-Kanalkonfiguration (Dynamic Random Access Memory) kombiniert Flash und Server-DRAM. Diese hybriden Flash-Speichergeräte adressieren die theoretische Skalierungsgrenze von DRAM und werden verwendet, um den Durchsatz zwischen Anwendungssoftware und Speicher zu erhöhen.

Verfügbare SSD-Formfaktoren

SSD-Hersteller bieten verschiedene Formfaktoren an. Der gängigste Formfaktor ist eine 2,5-Zoll-SSD, die in verschiedenen Höhen erhältlich ist und SAS-, SATA- und NVMe-Protokolle unterstützt.

Die Solid State Storage Initiative, ein Projekt der Storage Networking Industry Association (SNIA), hat die folgenden drei großen SSD-Formfaktoren identifiziert:

• SSDs, die in herkömmlichen HDD-Formfaktoren erhältlich sind und in dieselben SAS- und SATA-Steckplätze in einem Server passen.
• Solid-State-Karten, die Standard-Add-in-Card-Formfaktoren verwenden, wie beispielsweise solche mit einer seriellen PCIe-Port-Karte. Eine über PCIe angeschlossene SSD benötigt keine Netzwerk-Host-Bus-Adapter zur Weiterleitung von Befehlen, was die Leistung des Speichers beschleunigt. Zu diesen Geräten gehören die U.2-SSDs, die im Allgemeinen als möglicher Ersatz für die in dünnen Laptops verwendeten Laufwerke angesehen werden.
• Solid-State-Module, die sich in einem DIMM- oder Small Outline Dual In-Line Memory-Modul (SO-DIMM) befinden. Sie können eine standardmäßige HDD-Schnittstelle wie SATA verwenden. Diese Geräte werden als nichtflüchtige DIMM-Karten (NVDIMM) bezeichnet.

In einem Computersystem werden zwei Arten von RAM verwendet: DRAM, der Daten verliert, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, und statisches RAM (SRAM). NVDIMMs bieten den persistenten Speicher, den ein Computer zur Datenwiederherstellung benötigt. Sie platzieren den Flash-Speicher in der Nähe der Hauptplatine, die Operationen werden jedoch im DRAM ausgeführt. Die Flash-Komponente passt in einen Speicherbus zur Sicherung auf Hochleistungsspeicher.

Sowohl SSDs als auch RAM enthalten Solid-State-Chips, aber die beiden Speichertypen funktionieren innerhalb eines Computersystems unterschiedlich.

Zwei neuere Formfaktoren, die erwähnenswert sind, sind M.2 und U.2 SSDs. Eine M.2-SSD variiert in der Länge – typischerweise zwischen 42 Millimetern (mm) und 110 mm – und wird direkt an ein Motherboard angeschlossen. Sie kommuniziert über NVMe oder SATA. Die geringe Größe einer M.2 SSD schränkt die Oberfläche für die Wärmeableitung ein, was im Laufe der Zeit zu einer Verringerung der Leistung und Stabilität führt. Im Enterprise-Speicher werden M.2-SSDs häufig als Boot-Gerät verwendet. In Verbrauchergeräten, wie zum Beispiel Notebooks, bietet eine M.2-SSD eine Kapazitätserweiterung.

Eine U.2 SSD beschreibt eine 2,5-Zoll-PCIe-SSD. Diese Geräte mit kleinem Formfaktor waren früher als SFF-8639 bekannt. Die U.2-Schnittstelle ermöglicht den Einbau von NVMe-basierten Hochgeschwindigkeits-PCIe-SSDs in die Leiterplatte eines Computers, ohne dass der Server und der Speicher abgeschaltet werden müssen.

SSD-Hersteller

Der SSD-Markt wird von einer Handvoll großer Hersteller beherrscht, darunter:

• ADATA
• Corsair
• Crucial
• Intel
• Kingston 
• KIOXIA
• Micron 
• Samsung
• SanDisk
• Seagate 
• SK Hynix
• PNY
• Western Digital 

Diese Hersteller produzieren und verkaufen NAND-Flash-Chipsätze an Anbieter von Solid-State-Laufwerken. Sie vermarkten auch Marken-SSDs, die auf ihren eigenen Flash-Chips basieren. Beim Kauf von SSDs sind folgende Faktoren zu beachten:

• Langlebigkeit. Jede SSD-Garantie deckt eine begrenzte Anzahl von Laufwerkszyklen ab, die durch den NAND-Flash-Typ bestimmt wird. Eine SSD, die nur zum Lesen verwendet wird, benötigt nicht dasselbe Maß an Ausdauer wie eine SSD, die hauptsächlich zum Schreiben verwendet wird.
• Formfaktor. Dieser bestimmt, ob eine Ersatz-SSD mit dem vorhandenen Speicher funktioniert und wie viele SSDs in ein einziges Gehäuse passen.
• Schnittstelle. Dies bestimmt den maximalen Durchsatz und die minimale Latenz sowie die Erweiterungsmöglichkeiten des SSD. Die Hersteller qualifizieren ihre SSDs für NVMe, SAS und SATA.
• Stromverbrauch. Die Laufwerksschnittstelle legt auch die maximale Leistung einer SSD fest, obwohl viele Unternehmens-SSDs so konstruiert sind, dass sie während des Betriebs eingestellt/optimiert werden können.

In der Vergangenheit kosteten SSDs mehr als herkömmliche Festplattenlaufwerke. Aufgrund von Verbesserungen in der Fertigungstechnologie und erweiterter Chipkapazität sind die Preise für SSDs jedoch gesunken, so dass Verbraucher und Unternehmenskunden SSDs als praktikable Alternative zu herkömmlichem Speicher betrachten. Die Preise steigen jedoch aufgrund von Chipknappheit und einem allgemein unbeständigen Markt – zuletzt in den Jahren 2020 und 2021 aufgrund von Problemen in der Lieferkette im Zusammenhang mit COVID-19. Die schwankende Nachfrage nach Flash-Chips hat die Preise für SSDs variabel gehalten, aber der Preis für eine SSD bleibt höher als für eine HDD.

SSDs und Festplatten im Vergleich

SSDs gelten als viel schneller als die leistungsstärksten HDDs. Auch die Latenzzeit ist wesentlich geringer, und die Nutzer erleben in der Regel zügigere Boot-Zeiten.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Lebensdauer von SSDs und HDDs, darunter Hitze, Feuchtigkeit und die Auswirkungen der Oxidation von Metallen im Inneren der Laufwerke. Die Daten auf beiden Medientypen werden mit der Zeit schlechter, wobei HDDs im Allgemeinen eine höhere Anzahl von Schreibvorgängen pro Tag unterstützen. Branchenexperten empfehlen, ungenutzte oder inaktive SSDs bei niedrigen Temperaturen zu lagern, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

Die beweglichen Teile von HDDs erhöhen das Risiko von Ausfällen. Um dies zu kompensieren, haben die Festplattenhersteller Stoßsensoren eingebaut, um die Laufwerke und andere Komponenten in PCs zu schützen. Diese Art von Sensor erkennt, wenn das Gerät herunterzufallen droht, und ergreift Maßnahmen, um die Festplatte und die zugehörige kritische Hardware abzuschalten.

Die Leseleistung einer Festplatte kann leiden, wenn die Daten in verschiedene Sektoren auf der Festplatte aufgeteilt sind. Um die Festplatte zu reparieren, wird eine Technik verwendet, die als Defragmentierung bekannt ist. SSDs speichern Daten nicht magnetisch, so dass die Leseleistung konstant bleibt, unabhängig davon, wo die Daten auf dem Laufwerk gespeichert sind.

SSDs haben eine bestimmte Lebenserwartung und eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen, bevor die Leistung unregelmäßig wird. Um dies zu kompensieren, verwenden SSDs Wear Leveling, ein Prozess, der die Lebensdauer eines SSDs verlängert. Das Wear Leveling wird in der Regel vom Flash-Controller verwaltet, der einen Algorithmus verwendet, um Daten so anzuordnen, dass die Schreib-/Löschzyklen gleichmäßig auf alle Blöcke im Gerät verteilt werden. Eine andere Technik, SSD-Überprovisionierung (Overprovisioning), kann dazu beitragen, die Auswirkungen der Schreibverstärkung (Write Amplification) durch die Garbage Collection zu minimieren.

SSD und eMMC im Vergleich

Eine eingebettete (embedded) MultiMediaCard (eMMC) stellt den Onboard-Flash-Speicher in einem Computer bereit. Sie wird direkt auf der Hauptplatine des Computers installiert. Die Architektur umfasst ein NAND-Flash-Memory und einen Controller in Form eines integrierten Schaltkreises. eMMC-Speicher sind in der Regel in Mobiltelefonen, weniger teuren Laptops und IoT-Anwendungen zu finden.

Ein eMMC-Gerät bietet eine Leistung, die in etwa der einer SSD entspricht. Sie unterscheiden sich jedoch in der Kapazität, da eine Standard-eMMC typischerweise zwischen 1 GB und 512 GB liegt, während SSD-Größen von 128 GB bis zu mehreren Terabytes reichen können. Daher eignen sich eMMCs am besten für kleinere Dateigrößen.

In tragbaren Geräten dient eine eMMC als primärer Speicher oder als Ergänzung zu herausnehmbaren SD- und microSD-Multimediakarten. Obwohl dies die historische Verwendung von eMMC-Geräten ist, werden sie zunehmend in Sensoren in vernetzten Geräten des IoT eingesetzt.

SSD und Hybrid-Festplatte im Vergleich

Obwohl nicht so weit verbreitet wie ein Standard-Solid-State-Laufwerk, ist eine Alternative eine Hybrid-Festplatte(HHD). HHDs schließen die Lücke zwischen Flash-Speicher und magnetischem Festplattenspeicher und werden zur Aufrüstung von Laptops verwendet, um sowohl die Kapazität als auch die Leistung zu erhöhen.

HHDs verfügen über eine herkömmliche Festplattenarchitektur, die um 8 GB NAND-Flash als Puffer für plattenbasierte Arbeitslasten erweitert wird.

Daher eignet sich eine HHD am besten für Computer mit einer begrenzten Anzahl von Anwendungen. Die Kosten für eine Hybridfestplatte sind etwas geringer als die einer HDD.

Geschichte und Entwicklung von SSDs

Die ersten Solid-State-Laufwerke wurden im Allgemeinen für Verbrauchergeräte entwickelt. Dies änderte sich 1991, als SanDisk die erste kommerzielle Flash-basierte SSD auf den Markt brachte. Kommerziell entwickelte SSDs wurden mit der MLC-Technologie für Unternehmen hergestellt, die die Schreibzyklen verbesserte.

Weitere erwähnenswerte Daten sind:

• Das Debüt des Apple iPod im Jahr 2005 war das erste nennenswerte Flash-basierte Gerät, das sich auf dem Verbrauchermarkt durchsetzte.
• Toshiba kündigte 3D V-NAND im Jahr 2007 an. 3D-Flash-Geräte steigern Kapazität und Leistung.
• EMC (jetzt Dell EMC) gilt als der erste Anbieter, der SSDs in die Speicherhardware für Unternehmen aufnahm und die Technologie 2008 in seine Symmetrix-Festplattenarrays einbaute. Dies führte zur Entwicklung von Hybrid-Flash-Arrays, die Flash-Laufwerke und HDDs kombinieren.
• Toshiba führte 2009 Triple-Level Cell ein. TLC-Flash ist ein Typ von NAND-Flash-Speicher, der drei Datenbits pro Zelle speichert.
• IBM gilt als der erste große Speicherhersteller, der eine dedizierte All-Flash-Array-Plattform namens FlashSystem auf den Markt gebracht hat, die auf der Technologie seiner Übernahme von Texas Memory Systems im Jahr 2012 basiert. Ungefähr zu dieser Zeit begannen Nimbus Data, Pure Storage, Texas Memory Systems und Violin Memory mit der Einführung von All-Flash-Arrays und setzten auf SSD-Speicher als Ersatz für Festplatten.
• Im Jahr 2012 übernahm EMC XtremIO und bietet nun ein All-Flash-System an, das auf der XtremIO-Technologie basiert.