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Artikel: Die Solid-State-Drive (SSD)

Letzte Aktualisierung: 29.05.2011
Rubrik: Datenträger • Autor: Jannis W. • 28.05.2011

Vorwort

Dieses FAQ befasst sich mit der noch relativ jungen Speicher-Technologie: Die Solid-State-Drive (SSD). Dabei wollen wir Ihnen einen Überblick über die momentanen Eigensarten der SSDs geben und zum Kauf beraten.

Allgemeines

Aufbau

Im Gegensatz zu den momentan gebräuchlicheren Hard-Drive-Disks (HDDs) haben SSDs keine mechanischen Bauteile mehr. Die Speicherung der Daten erfolgt nicht auf Magnetscheiben, sondern in nicht flüchtigen Flash-Speicher-Zellen. Dabei liegt der Vorteil darin, dass die Daten ohne ständige Stromzufuhr gespeichert bleiben (nicht flüchtig sind), während der Arbeitsspeicher (RAM), welcher dem Prinzip der SSD ähnelt, die gespeicherten Daten ohne Stromversorgung verliert.

Diese Flash-Zellen werden von einem Controller verwaltet, der die Kommunikationsschnittstelle (SATA, PCI-E, ect.) zur Verfügung stellt und die effiziente Verteilung der Daten auf die Flash-Zellen übernimmt.

Flash-Zellen-Architektur

Momentan gibt es zwei gebräuchliche Flash-Zellen-Arten, welche beide auf der NAND-Flash-Chip-Architektur aufbauen. Diese unterscheidet sich hauptsächlich im Preis, der Lebensdauer und der Speichermenge pro Chip von der Vorgänger-Architektur, dem NOR-Flash.
Die Single-Level-Cell (SLC) speichert nur je ein Bit pro Zelle. Hingegen kann die Multi-Level-Cell (MLC) gleich mehrere Bits in einer Zelle speichern. Dadurch sind MLCs günstiger, aber auch langsamer und nicht so langlebig wie SLCs, da für die Änderung eines einzelnen Bits die gesamte Zelle ausgelesen, das entsprechende Bit verändert und wieder die gesamten Daten zurückgeschrieben werden müssen. In der Regel sind daher SLCs um den Faktor 3 schneller als MLCs, aber auch deutlich teurer, da ja nur ein Bit pro Zelle gespeichert werden kann. Es wird also für die gleiche Kapazität wie bei den MLCs-Chips, eine Vielzahl mehr an Zellen benötigt.
Momentan beträgt der Preisunterschied von MLCs- und SLCs-Chips ungefähr 30 Prozent. Auch die Haltbarkeit erhöht sich bei SLCs-Chips um den Faktor 10 aufgrund der geringeren Schreibbelastung.

Controller

Der Controller ist das Herzstück einer jeden SSD. Er übernimmt in der Regel sämtliche Steuerungsaufgaben und entscheidet selbst über eine möglichst effiziente Ausnutzung der Flash-Zellen per Native Command Queuing (NCQ) oder auch integrierte Befehlsreihung genannt, welche es dem Controller ermöglicht, Daten intelligent zu verteilen.
Dies trägt nicht nur zu enormen Übertragungsgeschwindigkeiten bei, sondern auch zur gleichmäßigen Ausnutzung aller Flash-Zellen, um diese nicht durch übermäßige Schreib- und Lesezugriffe vorzeitig zu zerstören.
Auch ist er für die Anbindung des auch von herkömmlichen Festplatten genutzten Cache-Speichers zuständig, welcher als kleiner, aber enorm schneller Datenpuffer fungiert und die Leistung nochmals erhöht.

TRIM-Befehl

Der sogenannte TRIM-Befehl teilt dem Controller mit, wenn Daten gelöscht wurden.
Bei einer herkömmlichen Festplatte werden Daten nur auf der Betriebssystem-Ebene verwaltet beziehungsweise über dessen Dateisystem. Dabei werden die Sektoren, in denen die Daten zuvor gespeichert waren, im Dateisystem als "frei" markiert, wenn diese, sei es durch Löschung aus dem Papierkorb oder bei der Deinstallation eines Programms, gelöscht werden. Normalerweise werden diese dann einfach überschrieben, sofern neue Daten in diesem Sektor auf die Festplatte hinzugefügt werden.
Bei einer SSD, beziehungsweise auf deren Flash-Zellen, geht dies nicht so einfach, da die Zelle erst leer sein muss, bevor wieder neue Daten hineingeschrieben werden können. Dadurch kommt es zu einem erheblichen Leistungs- bzw. Geschwindigkeitsverlust.
Dieser Befehl muss allerdings erstens vom Betriebssystem und zweitens von der Firmware des SSD-Controllers unterstützt werden. Bei Betriebssystemen, die diesen TRIM-Befehl unterstützen, wird nicht nur der freie Speichersektor im Dateisystem markiert, sondern auch dem Controller mitgeteilt, dass er diese Flash-Zelle vorsorglich löschen kann, sodass kein Leistungsverlust mehr auftreten kann. Momentan unterstützen folgende Betriebssysteme den TRIM-Befehl:
  • Windows 7
  • Windows Server 2008 R2
  • Sämtliche Linux-Distributionen ab Kern-Version 2.6.33
  • OpenSolaris
  • FreeBSD 8.2
  • Mac OS X (ab Testversion von 10.7, offiziell ab Sommer 2011 geplant)

Garbage-Collection

Es gibt auch eine in den Controller integrierte Logik, welche es der SSD ermöglicht, die nur teilweise gefüllten Sektoren selbständig zu erkennen und diese zusammenzuführen: Die sogenannte "Garbage-Collection". Dabei werden die typischen 128 bis 1024kByte großen Speicher-Zellen auf ihre tatsächliche Auslastung hin überprüft und solche, die zum Beispiel nur 33% der maximalen Daten beinhalten, zusammengespeichert. Dadurch stehen wieder mehr vollkommen leere und somit schnelle Flash-Zellen zur Verfügung, um neue Daten zu speichern.
Sowohl TRIM als auch Garbage-Collection sind in den meisten gängigen Controllern bereits integriert und gehören zum Standard bei den aktuellen SSD-Generationen, sodass diese unabhängig vom Betriebssystem arbeiten können.

Vergleich zwischen SSD und HDD

Vorweg kann man bereits anmerken, dass SSDs noch eine sehr junge Technologie darstellen, die momentan vielleicht Nachteile hat, welche jedoch auf lange Sicht hin irrelevant werden und durch die Vorteile übertroffen werden.

Gemeinsamkeiten

SSDs und HDDs besitzen einen Controller, der alle grundlgegenden Funktionen steuert und die Verteilung der Daten auf das Speichermedium kontrolliert. Außerdem sind sie beide nicht-flüchtige Speicher, die also keine dauerhafte Stromversorgung (wie RAM) benötigen, um die gespeicherten Daten zu behalten. Weiterhin gehören SSDs und HDDs zur Gruppe der Massenspeichern, wodurch sie zum dauerhaften Speichern von Daten auch als Bootmedium für das Betriebssystem dienen können und dafür geeignet sind.

Unterschiede

Hard-Drive-Disk (HDD) Solid-State-Drive (SSD)
Speicherung Auf einer rotierenden Magnetscheibe, die mit einem mechanischen Lese- und Schreibkopf beschrieben wird Ausschließlich auf rein elektrischen Flash-Speicher-Zellen
Stromverbrauch Hoher Stromverbrauch durch dauerhaftes Drehen der Magnetscheibe Geringer Stromverbrauch, weil nur Strom beim Zugriff auf den Flash-Speicher verwendet wird
Lautstärke Magnetscheibe, die schnell dreht und auch durch den Lese- und Schreibkopf rattern und Lärm erzeugt Vollkommen vibrations- und geräuschlos

Vorteile der SSD

SSDs haben aufgrund der Verwendung von rein elektronischen Bauteilen eine extrem kurze Zugriffszeit auf die Speicher-Zellen beziehungsweise Sektoren. Die durchschnittliche Zugriffszeit im Lesen beträgt ca. 0,2ms und beim Schreiben ca. 0,4ms. Selbst absolute Hochleistungs-Festplatten im Server-Bereich erreichen meist keine Werte unter 4ms beim Lesen oder Schreiben, normale Festplatten für den Heimcomputer sogar nur 12ms. Dies stellt dann eine vergleichsweise sehr hohe Steigerung der Geschwindigkeit dar.
Weiterhin eignen sich SSDs, da sie gegen Vibrationen und Schock nahezu unempfindlich sind, ideal für mobile Geräte, wie beispielsweise Laptops. Dies wird dadurch erreicht, dass keine beweglichen Teile eingebaut sind, wodurch es nicht zu mechanischen Ausfällen kommen kann.
Außerdem ist auch der Stromverbrauch im Vergleich zu HDDs besonders niedrig, da nur elektronische Bauteile in Benutzung sind. Dadurch sind zudem größere Akkulaufzeiten von Laptops möglich oder sonstigen mobilen Geräten. Zudem benötigt das Aufwecken aus dem Stromsparmodus keine Anlaufzeit, wie sie die Magnetscheibe bei der HDD benötigte.
Desweiteren sind SSDs so gut wie unhörbar, da keine mechanischen Komponenten zum Einsatz kommen. Es gibt also keine beweglichen oder rotierenden Teile, wie es bei der HDD der Fall wäre.
Da Flash-Zellen in der Regel haltbarer als der Lese- und Schreibkopf einer HDD ist, lässt sich davon ausgehen, dass SSDs eine durchschnittlich längere Lebensdauer als HDDs haben.

Nachteile der SSD

Im Allgemeinen erreichen HDDs eine höhere Datenkapazität als SSDs. So sind bei HDDs Größen von 500 bis 3000 Gigabyte üblich, während SSDs momentan von 30 bis 512 GB angeboten werden. Ausnahmen gibt es wie immer im Server-Bereich, wo es bereits Server-SSDs mit Kapazitäten bis zu 1 TB gibt.
Zusätzlich zu der geringen Datenkapazität ist der Preis pro Gigabyte bei einer SSD im Vergleich zur HDD extrem hoch. So kostet eine 500 GB HDD im Durchschnitt momentan ca. 40 Euro, während eine 512 GB SSD Preise bis ins Vierstellige ausweist (800 - 1100 Euro). Selbst eine kleine SSD mit 64 Gigabyte kostet derzeit noch rund 90 Euro. Der Preis steigt exponentiell mit gestiegender Kapazität.
Außerdem erreichen Flash-Zellen momentan nur bis zu 10.000 Schreibzüglen im Consumer-Bereich und bis zu 100.000 Schreibzüglen im Server-Bereich. Durch die "Wear-Leveling"-Algorithmen, die in den Controller integriert sind, verteilen sich die Schreibzugriffe auf sämtliche zur Verfügung stehenden Speicherzellen, sodass jede einzelne Zelle möglichst selten beschrieben wird. Überbewerten sollte man diesen Umstand allerdings nicht, da in der Regel gerade auf SSDs, welche nur als System- und Programmplatte genutzt werden, viel mehr Lese- als Schreibzugriffe erfolgen.

Beurteilung

Wie man sieht, ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis sich SSDs auch im Massenmarkt durchsetzen, da durch steigende Produktionszahlen auch der Preis sinken wird und die SSDs dann mit den HDDs auch preislich konkurrieren können. Aber vorerst sollte man, aufgrund des begrenzten Speicherplatzes, nur das Betriebssystem und wichtige Programme oder Spiele auf einer SSD speichern, da diese von dem schnellen Zugriffszeiten stark profitieren und Programmstarts oder der Boot deutlich schneller ablaufen.

Formfaktor

Anders als bei herkömmlichen HDDs, welche den 3,5"-Faktor bevorzugen, werden SSDs meist im 2,5"-Faktor produziert, da die elektronischen Bauteile, im Gegensatz zu den mechanischen Bauteilen bei der HDD, nur noch sehr wenig Platz benötigen. Natürlich gibt es auch 2,5"-HDDs, jedoch kommen diese mit deutlich kleineren Speicherkapazitäten aus und werden meist nur in Laptops und anderen mobilen Geräten verbaut. Dadurch werden die SSDs als Upgrade-Option vor allem für Laptops interessant, da diese vorrangig einen 2,5"-Festplattenplatz haben. Desweiteren gibt es auch bei den SSDs Ausnahmen im Formfaktor. So werden auch SSDs mit 1,8" oder 3,5" produziert. Diese haben jedoch nur einen geringen Absatz am Markt.

Schnittstellen

SATA II (SATA 3Gb/s)

Die am häufigsten genutzte Schnittstelle bei Festplatten und auch SSDs ist bisher SATA II. Diese ist in vielen heutigen modernen Computern bereits Standard. Jedoch bietet diese Schnittstelle für die SSDs auch meist einen Nachteil: Oft nutzen die SATA II-SSDs die volle Transferrate bis zum Maximum von 300 MB/s aus, sodass sie eigentlich eine noch höhere Übertragungsrate erreichen würden, jedoch durch die Schnittstelle dadurch begrenzt werden.
Die Stromversorgung erfolgt wie üblich über einen seperaten SATA-Stromanschluss.

SATA III (SATA 6Gb/s)

SATA III ist eine noch recht junge Schnittstelle und stellt die konsequente Weiterentwicklung von SATA 2 dar. Sie bietet eine maximale Transferrate von 600 MB/s, wodurch es zu keiner Limitierung mehr kommt. Bisher ist die Schnittstelle nocht nicht sehr weit verbreitet, gehört aber inzwischen bei den neusten Mainboard-Generationen zur Standardausstattung dazu. Auch unter SSDs ist die Schnittstelle bisher nur bei den neusten Modellen eingebaut. Für die Zukunft jedoch ist klar, dass SATA III überall zum Standard wird.

IDE

Die inzwischen in die Jahre gekommene IDE-Schnittstelle wird nur noch in ein paar Sonderfällen bei SSDs verbaut. Hier sind allerdings weniger alte Computer die Zielgruppe, sondern mehr wissenschaftliche und technische Gerätschaften, welche meist sehr teuer waren und nicht so einfach bzw. kostengünstig ersetzt werden können, jedoch von den Vorteilen einer SSD massiv profitieren.

Besondere Arten

PCI-E-SSDs

PCI-Express-SSDs sind eine Sonderform von SSDs, die jedoch im Grunde genommen normale SSDs sind, die jedoch anstatt SATA das viel schnellere PCI-E-Protokoll verwenden. Dadurch lassen sich Transferraten von über 2 Gigabyte pro Sekunde und mehr realisieren. Diese Spezialart von SSDs ist derzeit jedoch sehr teuer und momentan nur für Server-Anwendungen oder Enthusiasten interessant. Natürlich erfolgt die Anbindung über einen PCI-E-Steckplatz.

ExpressCard-SSDs

Die bei sogenannten ExpressCard-SSDs eingesetzte ExpressCard-Schnittstelle ist eher als alternative zur externen Festplatte anzusehen, da die meisten ExpressCard-SSDs noch nicht einmal das PCI-E-Protokoll benutzen, sondern lediglich USB 2.0. Dadurch sind sie schon einmal auf Schreib- und Leseraten von 30 MB/s limitiert. Außerdem werden sie vom BIOS und dem Betriebssystem als externe Festplatte erkannt und sind somit vollkommen ungeeignet, um darauf Programme oder ein Betriebssystem zu installieren. Selbst Modelle, die PCI-E unterstützen, erreichen meist noch nicht einmal ein Drittel der Leistung einer günstigen SATA-SSD.

Allgemeine Tipps

Beim Umrüsten auf eine SSD sollte man folgende Dinge beachten, um auf die besonderen Bedürfnisse einer SSD einzugehen und die Leistung dauerhaft auf einem hohen Niveau zu halten. Denn SSDs verlieren schnell an Leistung, sobald sie im täglichen Gebrauch sind und mit Daten gefüllt werden. Ursache hierfür ist unter anderem, dass der Controller mit steigendem Füllstand immer weniger freie Datenblöcke zur Verfügung hat, in die er Daten sofort reinschreiben kann. Die nachfolgenden Tipps verhelfen zu einem Maximum an Leistung und Lebensdauer.
SSDs sollten mindestens 20% des gesamten Speichers frei zur Verfügung haben, da sonst die Leistung einbricht und die verbliebenen Flash-Zellen mit mehr Lese- und Schreibzugriffen belastet werden.
Weiterhin sollte die automatische Defragmentierung ausgeschaltet sein, da dies bei einer SSD keine Leistungssteigerung bringt, jedoch unnötige Zugriffe auf die Zellen hervorruft. Windows 7 beispielsweise erkennt eine SSD automatisch und schaltet die automatische Defragmentierung ab.
Desweiteren sollte man die Auslagerungsdatei, sofern sie nicht von bestimmten Programmen benötigt wird, in jedem Fall deaktivieren, sofern genug Arbeitsspeicher vorhanden ist (ab mindestens 4 Gigabyte). Dadurch gibt es deutlich weniger Zugriffe auf die SSD, wodurch diese langlebiger ist.
Um Speicherplatz zu sparen ist es zudem sinnvoll, nicht mehr benötigte temporäre Dateien zu entfernen. Dies ist vor allem bei SSDs mit kleiner Speicherkapazität häufiger notwendig.
Außerdem sollte man sofort nach dem Kauf einer SSD auf die neuste Firmware updaten, da viele Hersteller so Leistungsverlust und Belastung der Flash-Zellen optimieren. Die meisten Hersteller bieten hierfür Tools auf ihrer Website an. Sofern die SSD bereits länger in Benutzung ist, sollten Sie kein Update mehr riskieren, da bei einem Fehler die gesamten Daten verloren sein könnten.

Schlusswort

Letztendlich kann man sagen, dass SSDs definitiv die Zukunft der Speichertechnologie sind. Die momentanen Probleme, was Preis und Kapazität betrifft, werden heute schon immer weniger und in ein paar Jahren sollten sie die HDDs sogar überholt haben.
Derzeit würden wir jedoch bei einem Desktop-Rechner empfehlen, einen Mischbetrieb aus SSD und HDD zu intialisieren. Dabei wird das Betriebssystem und wichtige Programme auf der SSD platziert, während weitere Daten auf der kostengünstigeren HDD gelagert werden.
Etwas anders sieht es bei mobilen Geräten wie Laptops aus. Hier lohnt es sich oft auch einmal mehr Geld zu investieren, da der begrenzte Platz meist nur einen Massenspeicher zulässt. Desweiteren ist die Erschütterungsunempfindlichkeit ebenfalls ein Pluspunkt, auch wenn die meisten Notebook-HDDs mittlerweile Fallsensoren und Stabilisatoren integriert haben.
Letztendlich ist eine Kaufentscheidung doch vom Gesamtsystem und der Nutzung dessen abhängig.
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