Produkte – SSDs

Flash-Speicher

Anders als bei Harddisks kommen bei den Solid State Drives (SSD) keine Magnetteilchen zum Einsatz, um die Daten zu sichern. SSDs basieren auf nichtflüchtigem Flash-Speicher, der auch als NAND bezeichnet wird. Beim Flash-Speicher werden die Daten in physikalischen Speicherzellen abgelegt. Je nachdem, wie viele Datenbits in einer einzelnen Zelle Platz haben, wird eine andere Bezeichnung verwendet. Jüngst werden in sogenannten Quad Level-Cell (QLC) vier Bits in einer einzelnen Zelle gesichert.


Im Überblick: Die verschiedenen Aspekte von Solid State Drives

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Die verschiedenen Formfaktoren von SSDs

2,5-Zoll-Laufwerk

Der häufigste Formfaktor für Solid State Drives ist ein 2,5-Zoll-Laufwerk. Beim 2.5-Zoll-Laufwerk sind die Breite und die Länge standardisiert nicht aber die Höhe. Für Notebooks wird oft eine Höhe von 7 mm verwendet. Im Enterprise Umfeld werden normalerweise Drives mit einer Höhe von 9 mm oder 15 mm verwendet. SSDs im 2,5-Zoll-Format unterstützen die Schnittstellentechnologien SATA, SAS und NVMe.

Add-In-Card (AIC)

Als weiterer Formfaktor gilt jener der Add-In-Card, also einer Karte die in den PCIe-Slot des Servers gesteckt wird. Diese SSDs sind nur mit NVMe Schnittstelle erhältlich. Da der Kommunikationsbus der AIC SSDs breiter (x8 oder x16) ist als jener des 2.5-Zoll-Formfaktors weisen AIC SSDs ein stärkeres Leistungsprofil aus.

M.2

M.2 ist ein SSD-Formfaktor in Form einer schmalen Bare-Card, die direkt mit dem Motherboard verbunden wird und normalerweise über die Schnittstelle NVMe oder SATA kommuniziert. NVMe-Versionen verwenden entweder x2- oder x4 PCIe-Lanes, während SATA-basierte M.2 SSDs standardmässige SATA-III-Signale nutzen. Da M.2 SSDs sehr klein sind und die Möglichkeiten der Wärmeabfuhr innerhalb eines Systems oftmals eingeschränkt ist, muss auf das Thermikmanagement besonders geachtet werden, ansonsten kann die langfristige Leistungsstabilität der SSD beeinträchtigt werden.



SSDs SSDs SSDs SSDs
Formfaktor: 2,5-Zoll-Laufwerk Add-In-Card M.2
Masse 70 x 100 mm7 - 15 mm Höhe 65 x 170 mm (HH-HL) 22 x 30 - 110 mm
Normaler Energieverbrauch 11 - 20 W Bis zu 25 W < 8 W
Bei laufendem Betrieb auswechselbar Ja Nein Nein
JBOD/JBOF-Gehäusesupport Ja Vielleicht Vielleicht

Die Schnittstellen

Über die Schnittstelle kommuniziert die SSDs mit dem Host. Aktuell werden SSDs mit folgenden Interfaces angeboten: SATA (Serial ATA), SAS (Serial Attached SCSI) und NVMe (PCIe).

SATA wird bei SSDs eingesetzt, die sich an kostenbewusste Anwender richteten. SAS ist die geeignete Schnittstelle für den Einsatz in Unternehmen, die Funktionen wie Multipath für hochverfügbaren Zugang benötigen. SSDs mit NVMe Schnittstelle haben die geringsten Latenzen und die höchste Bandbreite, sie werden eingesetzt, wenn die Speichergeschwindigkeit zählt. Die beiden Schnittstellenprotokolle SATA und SAS werden sowohl für SSDs wie auch für Festplatten genutzt, während NVMe ausschliesslich bei SSDs eingesetzt wird.

Die verschiedenen NAND-Flash-Typen

Die NAND-Flash Technologie kann heute auf jeder NAND-Zelle mehr als ein Bit Daten speichern. Dies ist möglich, weil der Speicher den Schreib- und Lesealgorithmus präzise anpasst. Dadurch konnte in den vergangenen Jahren die Zahl der nutzbaren Flash-Bits pro SSD kontinuierlich erhöht werden.

Bei der SLC-Technologie (Single-Level Cell) kann eine NAND-Zelle nur die Werte 0 oder 1 speichern. Diese Methode wurde in älteren SSDs verwendet. Da aber die Kosten hoch und das Verhältnis zwischen Leistung und Zuverlässigkeit ungünstig sind, wird die Technologie heute kaum mehr verwendet.

MLC-Technologie (Multi-Level Cell) verwendet vier verschiedene Spannungsniveaus und kann damit zwei Bits pro Zelle speichern. Die Technologie verdoppelt damit die Kapazität eines einzelnen NAND-Chips im Vergleich zur SLC-Technologie. Damit konnten die Kosten für SSDs erstmals stark gesenkt werden. Die MLC-Technologie wird für SSDs im Enterprise Bereich verwendet, da sie eine effektive Ausnutzung der Zellen und trotzdem eine lange Lebensdauer kombiniert.

Die neueste kommerziell eingesetzte Technologie ist TLC NAND (Triple-Level Cell). Sie vermag drei Bits pro Zelle in acht verschiedenen Spannungsebenen zu speichern und erreicht damit eine noch höhere Speicherdichte. Dadurch verlängern sich aber die Zugriffszeiten und die Anzahl möglicher Schreib-/Lesezyklen reduziert sich. Je mehr Spannungsebenen genutzt werden, umso schwieriger wird die Unterscheidung der einzelnen Spannungen und die Fehlerwahrscheinlichkeit steigt.

QLC NAND (Quad-Level Cell) speichert 4 Bits Daten in einer einzelnen NAND-Zelle. Die Technologie ist bei den verschiedenen SSD-Anbietern in der Pipe-Line. Da im Flash-Speicher für diese Technologie in jeder Zelle 16 verschiedene Spannungsebenen gespeichert werden müssen hat sie eine sehr kurze Schreiblebensdauer und wird vor allem für den Einsatz als Archiv-Speicher erwartet, wo Überschreiben selten ist.

SSDs
Stand Februar 2019

Die Entwicklung von 2D NAND zu 3D NAND

Um der wachsenden Nachfrage nach grösseren Speicherkapazitäten gerecht zu werden, erhöhen die Hersteller von NAND-Flash-Speicher mit immer kleineren NAND-Bausteinen die Speicherkapazität von planarem Flash-Speicher. Mittlerweile ist das technische Limit für die Speicherdichte bei der 2D-NAND-Technologie erreicht.

In Zukunft soll mit der 3D-NAND-Technologie der wachsende Bedarf nach Speicherkapazität gestillt werden. Gleichzeitig wollen die Produzenten von 3D-NAND die Lebensdauer der Speicher und der darauf gespeicherten Daten durch die neue Technologie verbessern.

Die meisten aktuell verfügbaren 3D-NAND basieren auf TLC NAND (Triple Level Cell). Es gibt zwei verschiedene Technologien an 3D-NAND-Speicher: Charge Trapping Flash (CTF) und Floating Gate Flash (FG). Die beiden Technologien unterscheiden sich in der Art, wie die Ladung gespeichert wird. Von den grossen NAND-Herstellern setzt Intel/Micron 3D-Speicher mit FG-Technologie ein, während Samsung, Toshiba und Western Digital die CTF-Technologie einsetzten.


Lebensdauer von SSDs

Die Lebensdauer einer SSD ist ein wichtiges Kriterium bei der Wahl des passenden Laufwerks, da die Flash-Zellen nur eine begrenzte Zahl Schreib- und Löschzyklen erlauben Der physische Vorgang des Schreibens und Löschens von Daten nutzt effektiv den Flash-Speicher ab. Daher haben Flash-Laufwerke unterschiedliche Lebensdauerwerte die von 100 bis zu über 10.000 Schreib- oder Löschvorgänge reicht.


Berechnung der SSD-Lebensdauer

Die Lebensdauer von SSDs wird normalerweise entweder in Drive Writes per Day (DW/D oder DWPD) oder Terabytes Written (TBW) angegeben. Diese Zahlen bezeichnen die Datenmenge, die garantiert auf den Flash-Speicher während seiner Lebensdauer geschrieben werden können.

DWPD, die Zahl der Schreibvorgänge pro Tag und Laufwerk ist die häufigste Angabe für die Lebensdauer von SSDs. Mit dieser Zahl wird die Datenmenge angegeben, die jeden Tag über den Garantiezeitraum geschrieben werden kann. Rechnungsbeispiel: Eine 1 TB SSD mit 3 DW/D und einer Garantie von 5 Jahren ermöglicht also Schreibvorgänge von 1 TB * 3 DW/D * (365 * 5) = 5'475 TB.

Wird für SSDs die Nutzungsdauer in TBW angegeben, ist die Berechnung der gesamten Schreibvorgänge bereits gemacht, die Angaben können direkt verglichen werden. Eine SSD mit 1000 Terabytes Written kann die doppelte Menge Daten schreiben wie ein Drive, der mit 500 TBW ausgewiesen wird. Die TBW pro Laufwerk hängen auch von der Kapazität des Mediums ab. Bei 250 GB-SSD liegen sie zwischen 60 und 150 TBW. Auf einem durchschnittlichen Bürocomputer werden zwischen 10 und 35 GB pro Tag gespeichert. Wenn man grosszügige auf 40 GB pro Tag aufrundet, würde die SSD eine nominelle Endurance von 70 TBW erst nach knapp fünf Jahren erreichen.