Solid-State-Drive

Speichermedium Solid State Drive (SSD)
Verschiedene SSD (Computex Ritek RiDATA Ultra-S)
Allgemeines
Typ	Halbleiterbausteine
Kapazität	bis 100000000 TB
Lebensdauer	Schreibvorgänge je Zelle: 1.000 (TLC in 21-nm-Fertigung) 3.000 (MLC in 25-nm-Fertigung) 5.000 (MLC in 34-nm-Fertigung) 10.000 (MLC in 50-nm-Fertigung) 100.000 (SLC in 50-nm-Fertigung) bis zu 5 Mio. (selektierte SLC-Chips)
Größe	verschieden
Ursprung
Markteinführung	1978 von StorageTek
Vorgänger	Festplattenlaufwerk

Ein Solid-State-Drive (kurz SSD), seltener auch Halbleiterlaufwerk genannt, ist ein elektronisches Speichermedium der Computertechnik. Durch Halbleiterbausteine realisiert der nichtflüchtige Speicher informationstechnische Anwendungen. Die Bauform und die elektrischen Anschlüsse können, müssen aber nicht den Normen für Laufwerke mit magnetischen oder optischen Speicherplatten entsprechen, so können Solid-State-Drives auch als PCIe-Steckkarte ausgeführt sein. Die Bezeichnung Drive (engl. für Laufwerk) weist daher lediglich auf die Verwendung als Ersatz für bisher übliche Festplatten hin: Es handelt sich nicht um Laufwerke im Wortsinn, bewegliche Teile sind nicht enthalten.

Vorteile eines Solid-State-Drive gegenüber herkömmlichen Laufwerken sind mechanische Robustheit, sehr kurze Zugriffszeiten und keine Geräuschentwicklung aufgrund beweglicher Bauteile, da solche nicht vorhanden sind. Der Hauptnachteil im Vergleich mit konventionellen Festplatten gleicher Kapazität ist derzeit noch ein erheblich höherer Preis. Trotz der mechanischen Robustheit können auch SSDs ausfallen oder Systemfehler verursachen. Ursache ist meist ein Fehler im verwendeten Controller oder in der Firmware. Insbesondere neuere Modelle kommen immer wieder mit unausgereifter Firmware auf den Markt, welche im Verlauf der Marktpräsenz durch Firmwareupdates nachgebessert wird.

Zudem variiert die Qualität des verbauten NAND-Flashs. Neben der in die Klasse 1 eingestuften NAND-Flash, wird auch als Klasse 2 eingestufter NAND-Flash in SSDs verbaut. Der SSD-Hersteller OWC hat bei einer Stichprobe von SSDs seines Konkurrenten OCZ sogar „Off-spec“-NAND in der SSD gefunden, das heißt Bauteile, deren Eigenschaften nicht innerhalb der Spezifikation liegen. Das sind Chips, die eigentlich die Qualitätssicherung für den Einsatz in SSDs laut NAND-Hersteller nicht bestanden haben. Andere Hersteller wiederum, wie z. B. Samsung in der neuesten 840-SSD-Serie, setzen seit neustem auch auf TLC-NAND-Speicherzellen. TLC (engl. triple-level cell, dt. dreistufige Speicherzellen) hat im Vergleich zu SLC (engl. single-level cell) weitere Spannungslevel, sodass noch mehr Daten pro Speicherzelle gespeichert werden können. Aufgrund der kleineren Abstände zwischen diesen Stufen, und der daraus resultierenden Schwierigkeit diese Level stets korrekt auszulesen, ist die Lebensdauer von TLC-Speicherzellen noch mal geringer als von MLC-Speicherzellen mit gleicher Fertigung und Güte.

Die Preise, bezogen auf die Speicherkapazität, waren ursprünglich sehr hoch. Ebenso wie die Baugrößen verringerten sich die Preise schnell entsprechend dem Mooreschen Gesetz. Dies führte dazu, dass um die Jahrtausendwende erstmals SSDs für spezielle Anwendungen wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt werden konnten.

Im Mai 2013 lagen die Preise (in Euro pro Gigabyte) für eine SSD bei ungefähr dem Dreizehnfachen des Preises eines herkömmlichen Magnetspeicher-Laufwerks (0,55 €/GB für eine 250 GB große SSD gegenüber 0,044 €/GB für eine 2.000-GB-Magnetfestplatte).

Wird herkömmliche, magnetische Festplattentechnik mit einem Solid-State-Speicher zu einem Gerät kombiniert, so spricht man von einer Hybridfestplatte (engl. hybrid hard drive, HHD; auch engl. solid state hybrid, SSH).

Begriffsklärung

In der Geschichte der Elektronik bedeutet der englische Begriff „solid state“, dass Halbleiterbauteile verwendet werden, die mit Hilfe der Festkörperphysik entwickelt wurden, statt Elektronenröhren oder beweglicher mechanischer Teile wie z. B. rotierender Magnetplatten. In Analogie zu anderen Festplattentechniken wird das Medium als „Drive“ oder „Disk“ bezeichnet, obwohl das Speichermedium ohne bewegliche Teile funktioniert.

Verfahren

SO-SDRAM-Speicherchips

Zwei Arten von Speicherchips werden verwendet: Flash-basierte und SDRAMs.

Flash-Speicher sind besonders energieeffizient und sogar stromunabhängig, wenn es um das Beibehalten des Inhaltes geht. Herstellerseitig werden hier rund 10 Jahre versprochen, bei den konventionellen Festplatten lässt die Magnetisierung im Laufe der Zeit nach.

SDRAM-Chips sind flüchtig und verbrauchen pro Gigabyte deutlich mehr Energie als eine konventionelle Festplatte. Ihr Vorteil liegt dafür in der deutlich höheren Geschwindigkeit. Mitte der 1990er auch als „RAM-Disks“ eingeführt, fanden sie von Anfang an Einsatz in Servern, wo auf ihnen Caches, temporäre Dateien und Journale von Datei-, Web-, Datenbank-Servern o. Ä. abgelegt wurden. Sie können als Steckkarte oder auch als Gerät mit emulierter Festplattenschnittstelle realisiert sein – oft mit einer Sicherungsbatterie oder eigenem Stromanschluss. Sie haben gegenüber Festplatten eine rund 700-fach geringere Verzögerung, um beliebige Daten aufzufinden. Gegenüber der Flash-Technik sind sie 80-fach schneller. Ein zweiter Vorteil ist die festplattengleiche, unbegrenzte Wiederbeschreibbarkeit; Flash-Chips sind hier auf 100.000 bis 5 Millionen Schreibzyklen begrenzt. Diese Beschränkung gilt für einzelne Flashzellen. Aber eine solche kann bei Verschleiß oft mittels S.M.A.R.T. automatisch gegen eine von rund zehn Prozent Reservezellen ausgetauscht werden.

Es liegt nahe, die Geschwindigkeit der SDRAMs mit dem Datenerhalt anderer Speichertypen – Festspeicher – zu verbinden. So integrieren manche Hersteller etwa auch eine konventionelle Festplatte in das Gehäuse der SDRAM-SSD, um z. B. bei einem Stromausfall ein Abbild dieser zu haben. An dieser Stelle schließt sich der Kreis, denn umgekehrt verfügen konventionelle Festplatten über immer mehr SDRAM- und neuerdings Flashchips als Zwischenspeicher (sog. „Cache“).

Vorteile und Einsatzgebiete

Der Wegfall der empfindlichen Motorlagerung und Lese-Schreib-Mechanik der Laufwerke mit rotierenden Platten ergibt eine erhöhte Stoßfestigkeit. Auch die Temperaturtoleranz ist größer. Dies betrifft sowohl den Temperaturbereich, in dem SSD betrieben werden können, als auch die Toleranz hinsichtlich Temperaturänderungen. Dies qualifiziert SSDs für den mobilen Einsatz. Am häufigsten finden sich die flashbasierten SSDs daher in MP3-Playern und USB-Sticks. Aufgrund des zwischenzeitlich deutlich gesunkenen Preises pro GB sind sie mittlerweile auch für (Sub-)Notebooks interessant. Ein weiterer Vorteil besteht in der konstanten, im Vergleich zu rotierenden Platten sehr geringen Latenz im Zugriff auf die gespeicherten Daten. Während beim Zugriff auf Daten in physisch weit voneinander entfernten Sektoren auf einer Festplatte eine relativ lange Zeit benötigt wird, um den Lesekopf auf die neue Position (ähnlich einem Schallplattenspieler) zu bewegen, können bei einer SSD über die Adresse eines Datenblocks unabhängig vom vorher relevanten Block die enthaltenen Informationen gelesen bzw. geschrieben werden. Zusätzlich nehmen im Gegensatz zu Festplatten die sequentiellen Transferraten nicht ab, wenn man den Formfaktor verkleinert (bei Festplatten haben bei größeren Platten die äußeren Spuren einen größeren Durchmesser, dadurch haben dort mehr Daten Platz und daher können pro Umdrehung mehr Daten gelesen werden). Hybridfestplatten und reine SSD-Modelle sind seit 2007 im Handel.

Im stationären Einsatz finden sich eher SDRAM-basierte SSDs und das meist weitab vom Massenmarkt. Ihr Einsatzgebiet sind Anwendungen, die sehr laufwerkslastig arbeiten (Datenbanken, Sortieranwendungen), indem sie wiederholt kleine Datenmengen von verschiedensten Speicherbereichen anfordern. Gern werden diese Laufwerke auch von Entwicklern und Testern benutzt, um die Leistungsfähigkeit von Festplatten-Controllern und -bussen zu messen, da sie diese maximal auslasten. Ihre Geschichte startete 1978, als das Unternehmen StorageTek die „Solid State Disk STK 4305“ auf den Markt brachte, welche kompatibel zum Festkopfplattenspeicher IBM 2305 war und mit Großrechnern vom Typ System/370 benutzt wurde. StorageTek selber benutzt die Bezeichnung „Solid-State Disk“. Aktuell (2007) sind hier die RamSan-Laufwerke der Texas Memory Systems zu nennen, die in Form eines Desktopgehäuses die derzeit schnellsten (Massen-)Speicher darstellen. Ihre Preise lagen 2007 bei 700 US-Dollar pro Gigabyte, ihre Geschwindigkeit lag damals beim 30-fachen der Flash-SSDs und dem über 300-fachen normaler Server-Festplatten.

Mit steigender Leistung der Flash-SSDs und besseren Controllern war 2008 erstmals ein vergleichbar performantes Laufwerk auf NAND-Basis verfügbar. Es wird zugunsten schneller Systemanbindung als PCIe-x4-Karte angeboten. Aufgrund dessen ist es jedoch nicht als Laufwerk für das Betriebssystem verwendbar, da dieses zunächst starten muss, um das „fusion io“ via Treiber ansprechen zu können. Das und der Preis von 50 Euro pro Gigabyte machen es für den Endkundenmarkt uninteressant, stellen aber im oben genannten Einsatzgebiet ein sehr günstiges Angebot für eine Leistung auf RamSan-Niveau dar.

Es werden Speicherkapazitäten bis rund 10 TB angeboten, die Bauform ist bei diesen Modellen PCIe2.0 x16.

Aber auch im Bereich der eingebetteten Systeme, in denen es ausschließlich auf den Verzicht auf mechanische Teile ankommt, werden häufig Solid-State-Drives verwendet. Eine Ein-Chip-Mikrocontrolleranwendung verfügt aus Platz- und Energiegründen häufig erst gar nicht über einen Festplattenanschluss. Stattdessen liegt deren Steuerungsprogramm oder Betriebssystem meist in einem Flash-Chip. Einen solchen hat heute auch jeder PC. Dieser fasst aktuell bis zu zwei Megabyte und enthält das BIOS.

Weitere Anwendungsgebiete finden sich in Umgebungen in denen Schmutz, Erschütterungen, sowie Druckschwankungen, Temperatur und Magnetfelder (Raumfahrt) den Einsatz mechanischer Platten verhindern.

SSDs im Endkundenmarkt

SSDs sind dabei, konventionelle Festplattentechnik zu ergänzen oder sogar zu ersetzen, und zwar besonders in mobilen Geräten. Mit einer Ablösung durch Flashspeicher verschwinden zahlreiche Unterscheidungsmerkmale der Hersteller. Dazu gehören die Punkte Lautstärke und Kühlungsbedarf, aber auch die dann prinzipbedingt sehr ähnliche Stoßfestigkeit und Zugriffszeit. Den Herstellern bleibt Gestaltungsfreiraum bei Geschwindigkeit, Kapazität, Zuverlässigkeit, Preis, Energiebedarf, Gehäusegröße und Gewicht, Zubehör sowie weiteren Features (z. B. Verschlüsselung). Diese Situation besteht bereits bei USB-Sticks. Trotzdem ist aber mit einer weiteren Phase der Fusionen und Allianzen zu rechnen, insbesondere zwischen den heutigen Festplatten- und Flashherstellern. Das äußerte sich bislang in Aufteilungen von Märkten. So entschloss sich Fujitsu, im 1,8″-Segment nur noch „Flashfestplatten“ zu entwickeln und Western Digital übernahm den SSD-Hersteller Silicon Systems. Oft beliefert ein Hersteller auch nur OEM-Kunden direkt, während er seine Laufwerke anderen Herstellern für den Endkundenmarkt mit individueller Verpackung zur Verfügung stellt. Da die Flashchips der teuerste Bestandteil einer SSD sind und viele Konsumenten nicht bereit sind, mehrere tausend Euro für ein Speichermedium auszugeben, werden entsprechend große SSDs nicht im Endkundenmarkt verwendet. Stattdessen hat es sich etabliert, eine SSD als „Systemlaufwerk“ (Zugriffszeitkritische Daten) zu verwenden, während HDDs weiterhin für große Datenmengen verwendet werden, wo die längeren Zugriffszeiten nicht störend sind. Im Mobilbereich sind SSDs in Tablet-PCs und Ultrabooks als alleiniges Systemlaufwerk weit verbreitet.

Hybridfestplatte/HHD

Funktion und Technik

Der Schreib-Lese-Kopf einer alten Festplatte (vor GMR)

Bei der Hybridfestplatte (Hybrid Hard Disk / Solid State Hybrid) wird eine herkömmliche Festplatte mit einem Solid-State-Speicher kombiniert. Seine nur geringe Größe soll den Mehrpreis auffangen, seine Vorteile aber schon heute einem breiten Markt zugänglich machen.

DDR-SDRAM

→ Hauptartikel: DDR-SDRAM

Die Kombination mit DDR-SDRAM bietet vorerst nur ein Hersteller innerhalb Japans und fern dem Massenmarkt ab rund 1000 Euro an. Die DTS „Platinum HDD“ verwendet einen Chip desselben Herstellers, der über die Zeit lernen soll, welche Inhalte sich für den schnellen Zwischenspeicher empfehlen. Dieser behält durch einen Kondensator seine Daten bis anderthalb Minuten nach Ende der Stromzufuhr und besteht aus einem 1-Gigabyte-DDR-SDRAM-Modul. Dieses ist mit einer 2,5″-Festplatte in einem 3,5″-Gehäuse untergebracht. Dadurch ist dieser Ansatz nicht für mobile Geräte geeignet, spart aber ein Drittel der Energie konventioneller 3,5″-Festplatten. Da hier ein Chip die Auswahl übernimmt, beschleunigt dieses Laufwerk jedes Betriebssystem; bei HHDs muss das Betriebssystem diese Aufgabe übernehmen. Bisher leistet das nur Windows Vista und Windows 7. Im Desktop- und kleinen Serverbereich kann das Laufwerk für Datenmengen unter einem Gigabyte jegliche Flashlaufwerke deutlich übertreffen. Die eingebaute Festplatte fasst zwischen 80 und 200 GB, die kleinste Ausführung kostet rund 900 Euro. Allerdings wird auch bei "normalen" Festplatten teilweise DDR/DDR2-SDRAM als Cache verwendet, allerdings nur maximal 128MB.

Flash-Speicher

→ Hauptartikel: Flash-Speicher

Die Kombination mit Flash ist bereits verfügbar und wird wegen der Unterstützung durch große Hersteller, sowie Mobileignung und Datenerhalt auch zukünftig weiter verbreitet sein. Mit ihr befassen sich daher die folgenden Absätze. Technisch gibt es zwei Umsetzungen. Intel integriert den Flashspeicher nicht in die Festplatte selbst, sondern verwendet wie für den Arbeitsspeicher einen proprietären Anschluss auf dem Mainboard. Damit entsteht eigentlich keine Hybridfestplatte, der erzielte Effekt ist aber derselbe. Dieses Prinzip nennt Intel „Turbo Memory“. Alle anderen Anbieter dieser Technologie sind Festplattenhersteller und integrieren den Flashspeicher in das Laufwerk selbst – meist 256 MB. Intel verwendet die vier- bis achtfache Kapazität. Ob das aber einen Praxisvorteil ergibt, ist derzeit nicht abzusehen.

Grundlage beider Varianten ist, dass Flashchips ihre Daten mit geringerer Verzögerung als die Festplatte selbst liefern können. Die in den Festplatten bereits vorhandenen SDRAM-Zwischenspeicher verlieren ihren Inhalt ohne permanente Stromversorgung. Flash ist jedoch beim Schreiben nicht nur langsamer als dieser SDRAM, sondern unterbietet hier auch die Festplatte selbst. Er ist also kein Ersatz, sondern eine Ergänzung. Eine Datei wird daher auch nicht beim ersten Zugriff, sondern erst nach häufiger Verwendung in den Flashbereich aufgenommen; mitunter auch nur einzelne Bestandteile. Diese werden beim Lesen dann deutlich schneller bereitgestellt, als die Festplatte es könnte. Sie wird nur bei Bedarf – also für selten benutzte Dateien – gestartet. Bei Internet- oder Büroarbeit sind die Hybridkonzepte somit oft lautlos und sehr energiesparend (um 0,3 W). Diese beiden Punkte, zusammen mit der im Stillstand höheren Stoßfestigkeit sind ihre Vorteile. Da diese besonders dem Mobileinsatz zugutekommen, werden HHDs bisher nur in 2,5 Zoll gefertigt. Dank des S-ATA-Anschlusses sind sie aber auch im Desktop verwendbar. „Turbo Memory“ dagegen ist nur für Notebooks verfügbar, 2008 soll die zweite Generation dann auch den Desktop erreichen. Intels Lösung ist dabei immer an einen Mainboard-Chipsatz aus gleichem Hause gebunden.

Beide Konzepte benötigen Windows Vista oder Windows 7, die bislang als einzige Betriebssysteme den Flashbereich mit den meistbenötigten Daten zu bestücken vermögen. Alle anderen Betriebssysteme benutzen den Flashbereich nicht.

Neuere Hybridfestplatten brauchen nicht mehr das Betriebssystem um den Flashspeicher zu benutzen. Dieser Vorgang wird von einem Controller in der Festplatte selbst übernommen. Dadurch können solche Festplatten in jedem Betriebssystem in vollem Umfang genutzt werden.

Vor- und Nachteile

Ein herkömmliches Festplattenlaufwerk (links) und eine SSD (rechts)

SSD mit SATA-Anschluss und SandForce-Controller

mSATA-SSD im Größenvergleich mit
2-Euro-Münze

Im Folgenden sind die theoretischen Vorteile der Praxis gegenübergestellt.

• Flash-Verwendung: HHDs sammeln beim Schreiben zunächst 32 MB an Daten, bevor der Spindelmotor startet. Noch einmal soviel wird den über Sondertasten einiger Tastaturen startbaren Programmen bereitgestellt. Der weitere Bereich steht den meistverwendeten Daten zur Verfügung.
  „Turbo Memory“ wird stattdessen erst durch einen nachzuinstallierenden Treiber aktiviert, der nicht in Windows Vista enthalten ist. Eine Hälfte des Flashmoduls funktioniert dann wie der einer HHD, die andere wird wie ein schneller Auslagerungsspeicher verwendet (siehe ReadyBoost). Das beschleunigt PCs mit 1 GB RAM wirksam auf das Niveau einer 2-GB-Ausstattung, ist jedoch auch nicht abstellbar, wenn diese bereits vorhanden ist. Ohne Auslagerungsbedarf bleibt also eine Hälfte des Moduls ungenutzt.

• Akku-Laufzeit: Um tatsächlich Energie zu sparen, erfordern beide Konzepte manuelle Eingriffe. Da bei „Turbo Memory“ eine konventionelle Festplatte Anwendung findet, wird diese durch die Windows-Energieoptionen heruntergefahren, nicht durch einen HHD-Laufwerkscontroller. Deren Voreinstellung sieht aber eine mehrminütige statt sekündliche Verzögerung nach einem Festplattenzugriff vor. Wird die Einstellung auf „3 Minuten“ korrigiert, verlängert sich die Akkulaufzeit durchaus um 15 %, so beispielsweise von drei auf dreieinhalb Stunden. Ein vergleichbarer Effekt stellt sich auch bei HHDs ein, wenn die Einstellung „Windows Hybrid-Festplattenenergiesparmodus“ in den Energieoptionen aktiviert wurde.

• Geschwindigkeitsgewinn: Viele Benchmarks können die Mehrleistung der Hybride prinzipiell nicht wiedergeben – denn sie verwenden möglichst viele, verschiedene und große Dateien, um eine maximale Last zu erzeugen. Diese überschreiten dann die Kapazität des Zwischenspeichers um ein Vielfaches. Zudem verwenden sie gerade kein wiederkehrendes Zugriffsmuster – um auszuschließen, dass ein Laufwerkshersteller sein Produkt daraufhin optimiert. Damit werden viele verfügbare Leistungstests jedoch der typischen Notebook-Verwendung nicht gerecht, und HHDs und „Turbo Memory“ haben – ähnlich einem Hybridauto unter Volllast – in diesen Tests keinen Vorteil. Erstere beschleunigen Windows-Start und Herunterfahren um rund 20 Prozent; ähnlich den Start häufig benutzter Programme.
  „Turbo Memory“ bewirkt nach ersten Tests von AnandTech.com jedoch keine Beschleunigung. Die Notebookhersteller Sony und Dell kamen zu gleichen Ergebnissen und verzichten daher vorerst auf diese Technologie. AnandTech untersuchte das zusammen mit Intel und stellte im „PCMark“-Test tatsächlich die vom Hersteller versprochene Leistungsverdopplung fest. Außerhalb des Benchmarks zeigten sich jedoch keine Tempovorteile, weder beim normalen Arbeiten noch beim Windows-Start oder Herunterfahren.

Auch wenn Hybridfestplatten erst 2007 auf den Markt gekommen sind, gab es eine ähnliche Technik schon mehr als zehn Jahre zuvor: Der Hersteller Quantum hatte eine SCSI-Festplattenserie namens Rushmore im Programm. Diese kombinierte eine herkömmliche Festplatte statt mit – damals eher bremsendem – Flash, mit SD-RAM in Laufwerksgröße. Die reichte bei Einstellung der Serie im Jahre 2000 von 130 Megabyte bis 3,2 Gigabyte. Alle gespeicherten Daten wurden im Betrieb aus dem extrem schnellen „Cache“ geliefert. Da dieser jedoch auf Strom angewiesen war, rüstete der Hersteller das Produkt mit Batterien gegen Datenverlust aus. Deren Energie ließ im Notfall die Festplatte starten und alle Daten aus dem RAM übernehmen. Wegen der hohen Preise für RAM-Chips waren die Rushmore-Platten für Privatanwender aber praktisch unerschwinglich – sie lagen beim Tausendfachen heutiger Flashchips. Daher war auch die optional verfügbare Grundversion keine Ausnahme: Ihr fehlten die sowieso relativ günstigen Bauteile Festplatte und Batterie.

Marktsituation

Nach Samsungs Debüt der ersten HHD im März 2007 begann Seagate im Juli mit der Fertigung eines Modells gleicher Flashgröße. Marktführer ist mit 45 Prozent Samsung.

Zusammen mit Fujitsu, die noch keine HHD ankündigten, gründeten die genannten Hersteller Anfang 2007 die „Hybrid Storage Alliance“, um die Vorteile der neuen Technologie besser vermarkten zu können.

Die verfügbaren HHDs werden von den Notebook-Herstellern jedoch kaum angenommen, da ihre Vorteile den Mehrpreis derzeit nicht rechtfertigten. Zum gleichen Ergebnis gelangen verschiedene Computermagazine.

Intels Lösung wurde mit der Centrino-Generation „Santa Rosa“ im Mai 2007 eingeführt. Sony, HP, Dell und MSI nahmen jedoch bisher Abstand davon, das entsprechende Intel-Flashmodul auch in ihre Notebooks einzubauen.

Während Intel mit der Version „2.0“ seines Produkts diesen Weg auch 2008 weiterverfolgt, gibt es seitens der HHD-Anbieter keine Ankündigungen zu Nachfolgern der ersten Generation von 2007.

Betriebssystemunterstützung von Hybrid-Flashspeichern

Windows Vista führte zwei Möglichkeiten ein, um Flashspeicher zur Unterstützung konventioneller Festplatten zu nutzen. Ihre Anwendung zeigt jedoch nur in seltenen Situationen mit SSDs vergleichbare Leistungen, erzeugt im Gegenzug allerdings auch nur geringe oder gar keine Mehrkosten.

Für Linux gibt es spezielle Dateisysteme, die an die Besonderheiten von rohen Flashspeichern angepasst sind, so etwa JFFS2, UBIFS und YAFFS; für heute übliche SSDs mit FTL („Flash Translation Layer“) und integriertem Wear-Levelling werden aber wie etwa auch für USB-Sticks einfach konventionelle Dateisysteme wie ext3 genutzt, teilweise aber mit optimierten Schreibzugriffseinstellungen (oder aber besser geeignete Dateisysteme wie ZFS, btrfs, NILFS oder LogFS). Solche Dateisysteme zielen darauf ab, Flashspeicher so zu verwenden, dass ihre Vorteile bestmöglich genutzt werden können. Dadurch können höhere Geschwindigkeiten und bessere Datenintegritätskontrolle erreicht werden.

Vista erkennt die Möglichkeiten von HHDs und kopiert meistverwendete Programm- und Betriebssystemdateien in deren Flashteil. Die erzielbaren Effekte sind weiter oben beschrieben.

Vista soll zudem von USB-Sticks oder Flash-Speicherkarten profitieren. Es bietet dazu an, mit ihnen eine HHD nachzuempfinden, indem ein Teil ihres Speicherplatzes als schneller Zwischenspeicher genutzt wird. Dabei wird auf dem Flashspeicher jedoch nur das gesammelt, was während des Betriebs nicht mehr in den Arbeitsspeicher passt. Repräsentative Tests zeigen daher nur bei PCs mit weniger als einem GB Arbeitsspeicher einen spürbaren Vorteil für die „ReadyBoost“ genannte Idee. Sie dient somit als leicht zu installierende RAM-Erweiterung. Unter Berücksichtigung der Preise für Arbeitsspeicher ist das jedoch nur sinnvoll, wenn ein entsprechend schneller Flashspeicher bereits vorhanden, oder eine Erweiterung des Arbeitsspeichers nicht möglich ist. Anders als in HHDs bleibt hier die Festplatte auch weiterhin auf Touren, wodurch weder Energieverbrauch noch Lautstärke gesenkt werden. Die Festplatte enthält zudem ein Abbild des Zwischenspeichers, das bei Entfernen des Flashspeichers verwendet wird. Die darauf ausgelagerten Daten werden sicherheitshalber mit 128 Bit verschlüsselt und das Medium vor Gebrauch sinnvollerweise kurz auf ausreichende Geschwindigkeit getestet. ReadyBoost erfordert eine Laufwerksgröße von 256 Mebibyte, maximal verwendet Vista 4 Gibibyte. Der verwendete Anteil ist beim Anschließen einstellbar. Unter Linux ist eine ähnliche Methode schon seit langem möglich, indem der Flashspeicher als Auslagerungsspeicher (englisch Swapping) eingehangen wird.

Windows XP verfügt von Haus aus über keine der beiden Vista-Optionen, Flashspeicher zur Temposteigerung einzusetzen. Das Moskauer Unternehmen MDO Limited bietet mit „eBoostr“ jedoch ein Tool an, das die „ReadyBoost“-Idee unter XP umsetzt. Zwar funktioniert es auch mit älteren externen Flashspeichern, um aber tatsächlich einen Tempogewinn zu erhalten, sollte das ReadyBoost-Logo auch hier als Anhaltspunkt beachtet werden. Dieses erhalten USB-Sticks und Speicherkarten, die ein von Microsoft festgelegtes Leistungslevel erreichen. Das Programm kann – anders als Vista – auch mehrere Flashspeicher gleichzeitig nutzen und dabei die Lastverteilung zwischen Festplatte und Flashspeicher anzeigen. Zielgruppe sind jene PCs, die bereits über einen USB 2.0-Port verfügen, für die eine RAM-Erweiterung jedoch technisch oder ökonomisch nicht möglich ist.

Reine Flash-Laufwerke

Funktion und Technik

Diese Laufwerke bestehen aus Flash- und Controllerchips, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Deren Größe hat keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit, nur auf die Chip-Anzahl. Auf kleinem Formfaktor sind also weiter nur geringere Kapazitäten realisierbar, nun jedoch mit hoher Leistung. Viele Modelle sind mit Plastik oder Metall (teil-)verkleidet, um die Bauteile zu schützen und – im zweiten Fall – Solidität zu vermitteln. Das hebt dafür den Vorteil des geringen Gewichts und teilweise der Stoßfestigkeit durch die Unnachgiebigkeit des Metallmantels wieder auf. Bestehen bleiben hohe Temperaturtoleranz, Lautlosigkeit und Energieeffizienz.

Verwendung finden in allen Preissegmenten die sogenannten NAND-Chips in der schnelleren SLC-, oder beim Schreiben langsameren MLC-Ausführung (siehe Kasten Architektur-Vergleich). Sie erreichen unter den Flashtechniken den besten Kompromiss zwischen Kapazität, Preis und Geschwindigkeit. Nur ihre Zugriffszeit ist zweigeteilt: Betriebssystem und Programme starten von Flashfestplatten zwar zwei- bis dreimal so schnell wie von konventionellen Festplatten. Beim Schreiben zeigte sich bis 2009 jedoch der Nachteil des Kompromisses, der bei den Hybrid-Konzepten noch kaschiert werden konnte – insbesondere die MLC-basierten Flash-SSDs lagen bei kontinuierlichen Schreibvorgängen unter dem Niveau normaler Festplatten. Das hat sich seitdem umgekehrt, die schnellsten Festplatten schreiben zumindest messbar langsamer als die langsamsten verfügbaren Flash-SSDs Bei reinen Lesevorgängen aber auch bei Multitasking, also bei gleichzeitigem Lesen und Schreiben, waren die SSDs bereits überlegen. In einer Desktopumgebung wird meist gelesen, so dass hier Schreibschwächen weniger ins Gewicht fallen.

Die Geschwindigkeitssteigerungen in neuen Produkt-Generationen werden wie in Grafikchips vor allem durch starke Parallelisierung erlangt: So verfügen die neusten SSDs bereits über einen 10-Kanal-Controller.

Architektur-Vergleich

SLC ist zu MLC	NAND ist zu NOR
10× so haltbar	10× so haltbar
3× so schnell schreibend vergleichbar lesend	4× so schnell schreibend 5× so langsam lesend
halb so kompakt	bis 16× so kompakt
30 % teurer	30 % günstiger
Folgende Technologien sollen die Vorteile von NAND und NOR vereinen: OneNAND (Samsung), mDOC (Sandisk) und ORNAND (Spansion).

Erst diese Beschleunigung gleicht ein systembedingtes Problem aus: die interne Organisation. Flash-SSDs sind in Speicherblöcke unterteilt. Wird auch nur ein Byte darin geändert, muss der gesamte Block neu geschrieben werden. Tatsächlich schreibt das Laufwerk intern also im vom Hersteller angegebenen Tempo die Blöcke neu. Anwender und Leistungstests nehmen jedoch nur die wenigen geänderten Bytes wahr. Der Schreibvorgang erscheint langsam. Dieser Effekt wird im Englischen Write Amplification genannt. Demzufolge wird also das Schreiben umso schneller, je mehr es dem Volumen eines Blockes entspricht. Dateien mit mehreren Megabyte werden so tatsächlich mit der angegebenen Transferrate geschrieben, denn hier werden alle Bytes in den Blöcken geändert – die Nutzrate entspricht der Schreibrate.

Der Versuch, diesen Effekt auf Betriebssystemebene aufzuheben, setzte sich nicht durch. Die „Managed Flash Technology“ von EasyCo. ordnete dazu die Schreibkommandos so, dass sie möglichst zusammenhängend, statt verteilt geschehen. Vom Hardwareprodukt unabhängig, war sie für den Heimgebrauch aber zu kostenintensiv. Stattdessen ergänzten die Hersteller einen SDRAM-Zwischenspeicher für den Controller und führten eine umfassende Optimierung der Firmwares durch. Diese spielt noch vor dem Controller selbst die entscheidende Rolle bei der Leistungsfähigkeit eines Laufwerks. Dazu nutzt sie, wie zuvor bei konventionellen Festplatten, möglichst effizient den SDRAM-Chip, verwaltet darin allerdings die Daten zur Suche nach dem Schreibbereich, um Geschwindigkeit und Nutzungsverteilung zu optimieren. Die eigentliche Datenzwischenspeicherung erfolgt meist im noch schnelleren SRAM des SSD-Controllerchips.

Ähnlich wie konventionelle Festplatten bringen auch Flashfestplatten bei nur geringer Restkapazität nicht mehr die volle Leistung. Bei beiden Laufwerkstypen spielt dabei die Suche nach den nur wenigen freien Speicherbereichen die Hauptrolle. Der oben beschriebene Effekt der „Write Amplification“ verstärkt das noch auf Seiten der Flashfestplatten. Daher zweigen deren Hersteller etwa 10 % des Laufwerks für eine „Spare Area“ als Leistungs- und Verschleißreserve ab.

Heute eignen sich Flashfestplatten besonders für den Mobileinsatz, leistungsorientierte Desktops und wenige Server. Für letztere bieten einige Hersteller Serien mit SLC-Speicher an, um der viel höheren Schreibbelastung gerecht zu werden. MLC-Chips haben mit 10.000 Zyklen je Zelle ein Zehntel der Wiederbeschreibbarkeit der SLC-Technik.

Marktsituation

Bereits 1996 führte MSystems die ersten flashbasierten SSDs ein. Bis 2006 blieben diese aber militärischen und anderen wenig preissensitiven Märkten vorbehalten. Im März 2006 fertigte Samsung dann ein Modell, das mit einem Achtel des Preises einen anderen Zielmarkt anvisierte: Notebooks mit 2,5- und 1,8-Zoll-Festplatten – und per Adapter auch Desktop-PCs. Damit wurde versucht, einen neuen Markt für erschwingliche Flashfestplatten zu eröffnen. Mit 600 $ für 32 GB gelang das zwar noch nicht, allerdings eroberte Samsung die Marktführerschaft mit einem Marktanteil von 45 %. So ist Apple ein wichtiger Großabnehmer und auch Mtron im oberen SSD-Segment steuert – mit eigenem Controller – ebenfalls Samsung-Chips an. Im Jahr 2007 forschten eine Reihe von Anbietern mit gleicher Zielsetzung an Konkurrenzprodukten zu Samsungs erstem Versuch. Im zweiten Quartal 2008 erschienen die Vertreter der zweiten Generation. Im selben Jahr wechselten viele Hersteller von SLC zu MLC-Speicherchips, um die Preise attraktiver zu gestalten. Bei den ersten Produkten dieser Gattung kam es jedoch häufiger zu unpraktikablen Leistungswerten.

2009 folgten Produkte mit stark verbesserter Leistung, die in einigen Leistungspunkten sogar SLC-Laufwerke übertrafen. Seitdem erfolgen Preissenkungen meist parallel zu einer Strukturverkleinerung in der Flashchip-Fertigung.

Da die Flashfestplatten im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten aufgrund des Wegfalls der empfindlichen Mechanik erheblich stoßfester sind, eignen sich SSDs insbesondere für den Einsatz in mobilen Computern und werden seit 2012 zunehmend auch in Netbooks sowie Notebooks serienmäßig eingebaut.

In der folgenden Tabelle werden der Verbrauchersektor dem immer noch existenten Hochpreissektor der Flash-Laufwerke sowie konventionellen Festplatten gegenübergestellt.

	konventionelle Festplatte	kommerzielle Flash-SSD	industrielle Flash-SSD
max. Kapazität	4 TB	2000000000 TB	> 200000000 TB
Betriebstemperatur	5 bis 55 °C	0 bis 70 °C	−40 bis 85 °C
Schreibzyklen	10 Mrd. (3 Jahre MTBF)	3.000–100.000 / Flashzelle	1–5 Mio. / Flashzelle („handverlesene“ Chips)
Datenerhalt	keine Angaben	10 Jahre	10 Jahre
Flugschreiber-geeignet	nein	nein	ja
Sicheres Löschen	ja	teilweise	ja
S.M.A.R.T.	ja	teilweise	ja

Flash-Besonderheiten

Verschleiß- und Ausfallvorhersage (S.M.A.R.T.)

Konventionelle und Flashfestplatten verschleißen mit der Zeit. Während sich das bei ersteren aus der Abnutzung der Mechanik ergibt, wirkt bei der Flashtechnik ein elektrischer Effekt begrenzend. Lesevorgänge von intakten Zellen sind hier zwar unbegrenzt möglich, je nach Qualität kann eine Flashzelle aber nur zwischen 3.000 (MLC 25nm) und 100.000 (SLC) Schreibvorgänge absolvieren. Danach kann sie ihren Inhalt „vergessen“. Flashspeicher wären so mitunter schon nach wenigen Tagen defekt. Dem wirken seit einigen Jahren „Wear-Leveling“-Verfahren entgegen. Der Controller im Flashlaufwerk verteilt Schreibvorgänge auf alle Speicherzellen so, dass jede möglichst gleich häufig beschrieben wird. Die dafür verwendeten Algorithmen sind herstellerspezifisch, in jedem Fall aber vom Rest des Computers aus weder sichtbar noch beeinflussbar. Dieses Verteilungsverfahren gibt es in verschiedenen Ausbaustufen. So verwendet eine Flashfestplatte häufig komplexere Controller als ein USB-Stick und sehr wenige Wechseldatenträger auch gar keinen. Hier können dann Software-Lösungen wie in Windows Vista oder Dateisysteme wie JFFS2 oder das Flash-Friendly File System unter Linux aushelfen.

Je nach Ausbaustufe führt das Verfahren zu einer Haltbarkeit, die konventionellen Festplatten nahe kommt oder sie übertrifft. Ein Nebeneffekt aller Verteilungsverfahren ist, dass kein sicheres Löschen mehr möglich ist. Der Hintergrund wird in den Abschnitten Sicheres Löschen und Defragmentierung beschrieben.

Eine Ausfallvorhersage wie bei konventionellen Festplatten durch S.M.A.R.T. ist auch bei nahezu allen Flash-SSDs enthalten, wie im verlinkten Absatz beschrieben, allerdings noch nicht mit allen Programmen möglich. Die derzeitige Situation ist durch den Standard selbst begründet. Er umfasst alleinig die Kommunikation zum Laufwerk, um die S.M.A.R.T.-Werte auszulesen. Ihre Bedeutung und Skalierung sind nicht festgeschrieben. Für konventionelle Festplatten ist über die Jahre allerdings ein De-facto-Standard entstanden, der für Flash-SSDs derzeit schlicht fehlt.
Die Prüfung konzentriert sich auf die Anzahl der vorgenommenen Löschzyklen und das Vorhandensein genügender Reserveblöcke. Wurden hier die vorgesehenen Grenzen übertreten, geht das Laufwerk sicherheitshalber in einen Nur-Lese-Modus über. Da bei guten „Wear-Levelling“-Verfahren alle normalen Sektoren zu ähnlicher Zeit abgenutzt sind, ist ein Ausfall nach der Verwendung erster Reservesektoren vermutlich nahe.

Methoden der Nutzungsverteilung

Dateien werden immer als Bit-Folge geschrieben. Heute enthalten MLC-Flashzellen jeweils 4 Bits und sind in sogenannte Seiten oder Blöcke (englisch pages) mit je 4096 Byte (= 4 KiB) Größe zusammengefasst. Angesprochen werden von der Steuereinheit immer ganze Speicherblöcke. Beim Lesen einzeln, beim Schreiben werden sie abermals zusammengefasst – zu einem Erasable Block. Dieser enthält 64 oder 128 Blöcke und ist somit 256 oder 512 Kibibyte groß. Bei jeder Änderung in einem seiner Blöcke wird dieser zunächst nicht gelöscht, sondern vorerst als nicht mehr aktuell markiert. Geschrieben wird in den nächsten freien Block desselben Erasable Block. Erst wenn alle Blöcke eines Erasable Block nicht mehr aktuell sind, wird dieser einmal komplett gelöscht. Somit müssen bei jedem geänderten Byte die bisherige Blöcke mit der vorzunehmenden Änderung in die nächsten kopiert werden. Das lässt die zu schreibenden Daten von wenigen geänderten Byte auf mehrere Kilobyte ansteigen. Diese Vervielfachung wird daher auch als Write Amplification bezeichnet. Damit entstünde eine inakzeptable Haltbarkeit. Im folgenden Beispiel wird eine Textdatei viermal überarbeitet und gespeichert.

	Schreibvorgang	1	2	3	4		weiter wie 2
Block
1		Datei.txt	unaktuell	unaktuell	löschen	Datei.txt	…
2		leer	Datei.txt	unaktuell	löschen	leer	…
3		leer	leer	Datei.txt	löschen	leer	…
4		leer	leer	leer	leer	leer	…
5		…	…	…	…	…	…
Legende:
	Ein „erasable“ Block: umfasst hier der Übersicht wegen nur drei Speicherblöcke. Jeder Block umfasst 2 oder 4 Kibibyte.

Dynamic Wear Levelling

Soll ein Erasable Block beschrieben werden, wird hier von den noch nicht belegten der am wenigsten abgenutzte ausgewählt. Das ist vergleichsweise einfach im Controller umzusetzen, hat aber den Nachteil, dass bei gut gefülltem Laufwerk der wenige freie Platz schneller abgenutzt wird. Die Schreibzyklen steigen um den Faktor 25 gegenüber fehlendem Wear-Levelling.

Static Wear Levelling

Soll ein Block beschrieben werden, wird hier der am wenigsten abgenutzte ausgewählt. Ist dieser schon belegt, werden dessen Daten auf einen anderen umverlagert, dann die neuen Daten geschrieben. Das erfordert einen etwas komplexeren Controller, führt aber zu sehr gleichmäßiger Abnutzung. Die Schreibzyklen steigen um den Faktor 100 gegenüber fehlendem Wear-Levelling.

Defekte Blöcke

Scheitert ein Schreibversuch auf einen Block, wird dieser wie bei konventionellen Festplatten als nicht mehr benutzbar markiert und ein Reserveblock aktiviert.

Auslagerungsspeicher auf Flash-SSDs

Zur Bewertung der Eignung von Flashlaufwerken für die Aufnahme des Auslagerungsspeichers (oder Auslagerungsdatei) eines Betriebssystems eignet sich am besten eine Analyse der Zugriffe auf diesen Speicher. Microsoft hat eine solche während seiner Arbeit an Windows 7 durchgeführt. Die Auswertung ergab ein Zugriffsmuster aus kurzem, verteiltem Lesen und längerem, zusammenhängendem Schreiben. Das entspricht den Stärken von Flashspeichern. Lesezugriffe überstiegen Schreibvorgänge um das Vierzigfache, während ca. zwei Drittel der Lesezugriffe bis 4 KB Größe hatten und etwa zwei Drittel der Schreibzugriffe mindestens 128 KB Länge hatten. Da das etwa einem Erasable Block entspricht, gibt es laut Microsoft kaum geeignetere Anwendungen für Flashlaufwerke als den Auslagerungsspeicher. Dennoch besitzen nicht alle MLC-basierenden Produkte eine hinreichende Geschwindigkeit, so dass ein Studium der konkreten Leistungsfähigkeit sinnvoll ist.

Sicheres Löschen

→ Hauptartikel: Datenvernichtung

Gewöhnliche Betriebssysteme löschen nicht den Dateiinhalt selbst, sondern entfernen lediglich den Eintrag im Inhaltsverzeichnis des Dateisystems. Das beschleunigt den Löschvorgang, ermöglicht aber auch eine Wiederherstellung der Datei. Um dies (und damit Spionage) zu verhindern, gibt es Programme, welche die Dateien tatsächlich komplett löschen sollen. Dazu weisen diese Programme an, alle zur Datei gehörenden Sektoren mehrfach – ggf. mit Zufallsdaten – zu überschreiben. Festplatten können so sicher gelöscht werden.

Die von Flashspeichern nach außen gemeldeten Sektoren haben aber nichts mehr mit den tatsächlichen Speicherorten zu tun. Das liegt an ihrer Nutzungsverteilung, welche Schreibvorgänge auf die bisher am wenigsten benutzten Blöcke leitet, welche höchstens zufällig die sind, in denen die Datei steht. Deren Inhalt bliebe somit bestehen, während die Überschreibversuche an anderer Stelle gespeichert würden. Nach außen bleiben die vom Programm adressierten Sektoren stimmig: Liest man sie aus, erhielte man die neuen Daten. Die Umverteilung geschieht unmerklich für das Betriebssystem und darauf laufende Programme im SSD-Controllerchip. Die Umverteilung findet umso mehr statt, je mehr nach dem letzten Formatieren nicht beschriebene, oder durch TRIM wieder freigegebene Sektoren auf dem Laufwerk vorhanden sind – ein gut gefülltes Laufwerk ist so betrachtet ein „sichereres“.

Um dieses Sicherheitsleck zu nutzen und auf die nicht wirklich gelöschte Datei zugreifen zu können, müsste aber eine Firmware programmiert und installiert werden, die alle Blöcke auslesen kann. Mit Installation dieser würde jedoch wahrscheinlich die Information zur bisherigen Nutzungsverteilung verloren gehen. Somit fehlte das Wissen, welche Blöcke zu einer durch scheinbares Überschreiben gelöschten Datei in welcher Reihenfolge gehören. Kryptographiehersteller warnen trotzdem vor dem Einsatz von SSDs, da zumindest Schlüssel auffindbar sein könnten.

Behebbar ist das Problem erst durch einen Controller, der auf Wunsch vorübergehend die Nutzungsverteilung abschalten kann und so ein „Secure Erase“ ermöglicht. Entsprechende Laufwerke sind aber nur im Hochpreissegment zu finden, etwa von M-Systems oder ATP. Diese enthalten dann auch Löschalgorithmen nach US-Air-Force- oder Navy-Standard.

Für den Heimgebrauch gibt es keine vollständige Löschmöglichkeit. Das liegt am nicht ansprechbaren Reservespeicher („Spare Area“) der SSDs, welcher nur dem Controller zugänglich ist. Jener Bereich dient sowohl als Ruheplatz der abgenutztesten Sektoren, als auch der Geschwindigkeitssteigerung. Bei modernen Laufwerken besteht die Möglichkeit eines "secure erase", welcher die SSD in den Auslieferungzustand zurückversetzt und auch Reserveblöcke überschreibt.

Defragmentierung

→ Hauptartikel: Fragmentierung (Dateisystem)

Eine Defragmentierung ist aufgrund der geringen Lesezugriffszeiten nicht nötig. In Bezug auf die Schreibleistung differieren die Herstellerangaben jedoch. So warnt OCZ die Nutzer seiner MLC-basierten Core-Serie vor dem Defragmentieren, während MTron für seine SLC-basierten Produkte ein Defragmentieren sogar empfiehlt. Kingston hingegen rät stets vom Defragmentieren ab – ganz gleich, ob für das SLC- oder MLC-Format. Intel rät generell nicht zum Defragmentieren ihrer SSDs.

Leistungsverlust bei Verwendung (TRIM und Garbage Collection)

Hintergrund

Das Dateisystem streicht „gelöschte“ Dateien nur aus dem Inhaltsverzeichnis, die eigentliche Datei aber bleibt weiter gespeichert. Dadurch kann sie wiederhergestellt werden und auch das „Löschen“ großer Datenmengen ist sehr schnell möglich. Beim nächsten Schreiben auf einen so freigestellten Bereich muss der bisherige Inhalt demzufolge aber erst gelöscht werden. Nach einiger Zeit der Nutzung ist damit jeder Bereich des Laufwerks mit entweder aktuellen, oder noch nicht tatsächlich gelöschten Inhalten belegt. Bei Festplatten war das kein Problem, da sie ihre Magnetisierungszustände direkt ineinander übergehen lassen können. (Für sie hätte das tatsächliche Löschen der Dateien damit sogar einer Ressourcenverschwendung entsprochen.) Flashspeicher hingegen müssen die noch gefüllten Flashzellen erst leeren, um sie im zweiten Durchgang mit der neuen Datei zu beschreiben. Diese doppelte Arbeit ist anhand einer dann bis zu doppelt so langen Schreibzeit nachvollziehbar. Davon sind allerdings nur verteilte, kurze Schreibvorgänge betroffen, welche kleiner als Erasable Blocks sind – denn durch die Befüllung mit aktuellen und noch nicht gelöschten Daten sind deren Einzelblöcke gefüllt, wodurch bei jeder Änderung der gesamte Erasable Block neu geschrieben werden muss – inklusive der eigentlich „gelöschten“ Dateifragmente. Selbst in diesen Fällen bleiben die Geschwindigkeiten aber oftmals noch oberhalb des – gleichbleibenden – Niveaus konventioneller Festplatten.

Maßnahmen

Um dieser Situation abzuhelfen, können SSDs ab Mitte 2009 die freigestellten Bereiche schon vor einer neuerlichen Verwendung löschen. Das findet einerseits durch eine Logik im Laufwerk statt (Garbage Collection) und kann andererseits durch das Betriebssystem gesteuert werden (via TRIM-Befehl). Ersteres bedarf nur der Umsetzung in der Laufwerksfirmware, letzteres erfordert die Unterstützung eines neuen ATA-Befehls vom steuernden Betriebssystem, des empfangenden Laufwerks und – falls vorhanden – des weiterleitenden RAID-Controllers.

Beide Vorgehensweisen betreffen aber weder das Überschreiben einer Datei noch den Fall nahezu gefüllter Laufwerke (denn hier gibt es kaum freie Bereiche), sondern ermöglichen nur, die freigestellten Bereiche schreibfertig vorzubereiten. Die Vorbereitung entspricht jedoch nicht einem umgehenden Löschen beim Leeren des Papierkorbs. Dieses findet zu einem nicht vorhersagbaren Zeitpunkt statt, spätestens dann beim nächsten Beschreiben des Bereiches. Er wird direkt gelöscht und beschrieben, das vorherige Auslesen wird erspart: Daraus entsteht der Geschwindigkeitsvorteil.

Der bleibende Vorteil von TRIM liegt in der effektiveren Vermeidung des Neuschreibens bereits aus dem Papierkorb gelöschter Dateien. Das schont die Flashzellen. Die Unterstützung von TRIM durch das installierte Laufwerk wird etwa durch CrystalDiskInfo in der Zeile Supported Features sichtbar, die Zeile Firmware zeigt die installierte Firmwareversion.

Controller	Garbage Collection	TRIM-Unterstützung
Indilinx Barefoot und ECO	ab Version 1916	ab Version 1819
Intel X-25M G1	immer enthalten	nicht verfügbar
Intel X-25M G2	immer enthalten	ab Version 02HD
Samsung RBB	ab 1901Q / 19C1Q	ab 1901Q / 19C1Q
SandForce SF-1x00/2x00	immer enthalten	immer enthalten
Toshiba Daikoku 2	immer enthalten	immer enthalten

Die Funktionsweise der Garbage Collection wird von den Herstellern nicht veröffentlicht, funktioniert aber wahrscheinlich über die Nutzung der Reservesektoren in einem Laufwerk. (Deren Zahl gibt der Over-Provisioning Factor an, liegt er bei 1,1, verfügt das Laufwerk über 10 Prozent davon. Dieser Bereich wird auch als „Spare Area“ bezeichnet.) Das Laufwerk selbst kann nicht wissen, welche Sektoren zum Überschreiben freigestellte Daten beinhalten. Das erfährt es aber, wenn Sektoren überschrieben werden sollen: deren bisheriger Inhalt ist offensichtlich freigestellt. Daher leitet es die neuen Daten in die leeren Reservesektoren um. Das ist schnell und der Controller weiß nun, dass die ursprünglich angesteuerten Sektoren wirklich nicht mehr gebraucht werden. Diese löscht er nun im Leerlauf, wodurch sie frei werden. Diese Vorgehensweise behebt nicht die Ursache des Problems, großenteils aber dessen Auswirkungen. Zum Löschen der Sektoren benötigt das Laufwerk jedoch Leerlaufzeit.

Laufwerke ohne automatische Garbage Collection oder TRIM-Unterstützung sind nur durch Programme wie Secure Erase auf die Werksleistung rücksetzbar. Dabei wird das Dateisystem gelöscht, was somit auch alle von ihm freigestellten, aber noch alte Dateien beinhaltenden Blöcke freigibt.

Leistungsverluste unter Windows

Weitere Leistungsverluste treten unter Umständen auf, wenn Windows die Defragmentierung, Prefetcher und SuperFetch nach der Installation der SSD nicht selbstständig deaktiviert. Dieser Effekt könnte etwa beim Kopieren einer bestehenden Installation von Festplatte auf SSD entstehen. Für die volle Leistung einer SSD sollte man diese Funktionen daher gegebenenfalls manuell deaktivieren.

Prefetch bringt nur bei Speichermedien mit relativ hohen Zugriffszeiten, z. B. HDDs, einen spürbaren Vorteil. Das ursprüngliche Problem, das der Prefetcher beheben sollte, ist das Aufrufen von unterschiedlichen Segmenten der gleichen Datei zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Der Prefetcher zeichnet den Bootvorgang des Betriebssystems und den Startvorgang von Programmen auf. Anhand dieser Informationen erstellt das Betriebssystem Ablaufverfolgungsdateien (trace files), so dass auf Dateien effektiver zugegriffen werden kann, z. B. benötigte Segmente einer Datei am Stück eingelesen werden. Bei SSDs ist dieser Geschwindigkeitsvorteil dank der schnellen Zugriffszeiten kaum bemerkbar. Allerdings werden beim Prefetchen über die Zeit eine Menge Daten (trace files) gespeichert und ggf. aktualisiert. Daraus resultieren unnötige Schreibzugriffe und damit eine verkürzte Lebenszeit der SSD.

Ebenso entfällt der Vorteil von SuperFetch (ReadyBoost), bei dem häufig verwendete Daten anhand von Erfahrungswerten in den RAM geladen werden, bevor sie benötigt werden. Die Zugriffszeiten und Datenübertragungsraten von SSDs sind so kurz, dass es verglichen mit RAM keinen spürbaren Unterschied mehr macht, messbar ist dieser nur im Bereich von Mikrosekunden. Allerdings ist das SuperFetchen auch nicht schädlich für die SSD oder die Arbeitsspeicherauslastung, da der dafür reservierte Bereich im RAM sofort verworfen und freigegeben wird, sobald eine Anwendung diesen benötigt.

Windows 7 und 8 erkennen bei der Installation, um welche Art von Datenträger es sich handelt. So schaltet Windows sowohl SuperFetch als auch Prefetch auf SSD-Datenträgern aus. Bei Parallelnutzung von SSD und HDD deaktiviert Windows diese Funktionen nur für die SSD und nicht etwa auch für die HDD.

Ausrichtung

Die kleinste beschreibbare Einheit eines Flashspeichers ist die Speicherseite (auch englisch page genannt). Die kleinste beschreibbare Einheit in einem Dateisystem wird Zuordnungseinheit (oder englisch cluster) genannt. Diese ist bei der Formatierung idealerweise auf die Größe einer Seite einzustellen, derzeit sind das 4 Kibibyte. Überstiege die Größe einer Zuordnungseinheit jene der Speicherseite, müssten sonst bei jeder Änderung gleich mehrere Seiten unnötig neu geschrieben werden.

Einen zweiten Schritt zur optimalen Datenstruktur stellt die Ausrichtung (auch englisch alignment genannt) von Partitionen dar. Beginnt eine Partition inmitten eines Erasable Blocks, verschieben sich auch die Zuordnungseinheiten des Dateisystems, manche erstrecken sich dann über eine Blockgrenze. Für jede Änderung dieser Einheiten werden demzufolge beide Blöcke beschrieben, und demzufolge auch öfters gelöscht. Der Effekt dieses Mehraufwandes ist produktbezogen allerdings sehr unterschiedlich und reicht von kaum messbar bis zur Drittelung der Schreibleistung bei zufälligen Zugriffen. Sämtliche sequenziellen Schreib- und alle Lesezugriffe sind vom Alignment nicht betroffen.

Um eine Partition an den Grenzen der Erasable Blocks auszurichten, wäre die Blockgröße in Erfahrung zu bringen. Software kann diese jedoch nicht auslesen. Alle seit 2009 gängigen MLC-Laufwerke verwenden jedoch durchgängig Größen von 512 Kibibyte. Ein manuelles Nachmessen ist daher selten nötig.

Die Angabe zum Alignment im AS-SSD-Benchmark wird anhand der verwendeten Zuordnungseinheit durchgeführt. Wenn das Programm Alignment als „OK“ ansieht, heißt es nicht, dass die Partition direkt an der Grenze des Erasable Blocks ausgerichtet ist, sondern dass sich keine Zuordnungseinheit des Dateisystems gleichzeitig in zwei Blöcken befindet. Da der erste Erase Block immer bei 0 Byte anfängt, reicht es aus, wenn die Startposition jeder Partition durch die Größe der Zuordnungseinheiten (typischerweise 4 KiB) teilbar ist.

Im Zweifel kann auch direkt ein größerer Wert verwendet werden. Dem folgend verwenden Windows Vista und 7 gleich eine Ausrichtung an 1 Mebibyte. Dieser Wert ist durch alle aktuellen Erasable-Block-Größen ohne Rest teilbar und bewirkt demnach für jede SSD eine korrekte Ausrichtung. Linux-Nutzer müssen zur Ausrichtung verschiedene Faktoren berücksichtigen, Nutzer vergangener Windows-Versionen können entweder mit den Installations/Recovery-CDs von Vista und 7 eine vorbereitete Partition einrichten, oder diese per Bordwerkzeug selbst erstellen. Ohne manuelles Vorgehen starten die älteren Windowsausgaben die Partitionen bei 31,5 Kibibyte und werden damit nicht an den gängigen Erasable Blocks ausgerichtet.

Das Offset bestehender Partitionen ist in Windows auf der Eingabeaufforderung mit dem Diskpart-Befehl list partition nach Auswahl der SSD mit select disk <Nummer> ersichtlich. Die Nummer ist anhand der Datenträgergröße mittels list disk bestimmbar. Die Angabe hier ist allerdings ungenau, da sie auf ganze Kilobyte gerundet wird. Besser ist es daher, zunächst select partition <Nummer> und danach detail partition aufzurufen. Alternativ findet sich die gleiche Information auch mittels msinfo32 bei Systemübersicht\Komponenten\Speicher\Datenträger als Partitionstartoffset.

Solid-State-Drives im Vergleich

Im Folgenden sind die derzeit aktuellen Verfahren zum Vergleich aufgeführt, der High-end-Sektor der Solid-State-Drives im Serverbereich bleibt dabei unberücksichtigt. Ein Video-Vergleich ist ebenfalls verfügbar.

	MLC-NAND-Flash-Laufwerk 1,0″ bis 3,5″	RAM-Disk als Teil des Arbeitsspeichers	Festplatte 1,0″ bis 3,5″
Größe (keine Raidlaufwerke)	bis 1 TB	bis 16 GB je Modul	bis 4 TB
Preis pro GB (Stand Mai 2013)	ab ≈ 0,55 €	ab ≈ 4,5 €	ab ≈ 0,044 €
Anschluss	S-ATA, P-ATA, mSATA, PCIe	hauptsächlich DIMM-Connector	S-ATA, P-ATA, SCSI, SAS
Lesen (kein RAID)	bis 510 MB/s	bis 51200 MB/s	bis ca. 160 MB/s
Schreiben (kein RAID)	bis 490 MB/s	bis 51200 MB/s	bis ca. 160 MB/s
Mittlere Zugriffszeit lesen	0,2 ms	0,00002 ms	ab 3,5 ms
Mittlere Zugriffszeit schreiben	0,4 ms	0,00002 ms	ab 3,5 ms
Überschreibbar (Zyklen)	3 bis 10 tausendmal (MLC)	> 1015	ca. 10 Mrd. (3 Jahre)
Lagerbar bei	−45…85 °C	−25…85 °C	−40…70 °C
Stoßfestigkeit – Betrieb	1500 g	ca. 1000 g (rüttelfest verlötet)	60 g
Stoßfestigkeit – Lagerung	1500 g	ca. 1000 g (ähnlich SSD)	350 g
Verbrauch – Ruhe	0,1…1,3 W	1 W pro SDRAM-Modul	4 W und höher
Verbrauch – Zugriff	0,5…5,8 W	8 W pro SDRAM-Modul	6 W und höher
Verhalten beim PC-Ausschalten	problemlos	Datenverlust falls keine Sicherung auf SSD/Festplatte stattfindet	problemlos
Verhalten bei Stromausfall	mit Stützkondensator auf SSD-Ebene problemlos ohne Stützkondensator Datenverlust möglich	Datenverlust	Datenverlust möglich
Lautlos	ja	ja	nein
Bemerkungen	unterstützen meistens S.M.A.R.T.	Größe begrenzt durch Hauptplatine oder zusätzlicher Adapter nötig, nicht bootfähig	unterstützen S.M.A.R.T.

Die in der Tabelle angegebenen Werte sind in der Regel Bestwerte. Insbesondere die Geschwindigkeiten können je nach Modell auch deutlich niedriger liegen.

Bei Betriebssystem-, Programmstarts und wo immer Zugriffszeiten eine Rolle spielen, sind diese Solid-State-Verfahren den Festplatten überlegen. Prinzipbedingt gelingt es ihnen, die obigen Geschwindigkeiten bei zufällig verteilten Zugriffen aufrechtzuerhalten.

Weblinks

Commons: Solid-State-Drives – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Martin Bayer: Was Sie schon immer über Solid State Drives wissen wollten. Computerwoche, 24. Juni 2008.
• Sebastian Geertz, Axel Wilkening: Entwicklungspotenziale der Solid State Drives. Winfwiki, 14. Juni 2009 (Fallstudie der Fachhochschule für Ökonomie & Management (FOM) Hamburg/Essen zum Thema „Solid-State-Drives“)
• Lee Hutchinson: Solid-state revolution: in-depth on how SSDs really work. Ars Technica, 4. Juli 2012.
• Auflistung am Markt befindlicher Solid State Drives