SSDs sind derzeit ein wichtiges Thema in der weltweiten IT-Branche. Denn nach der Vorstellung der Festplatte durch IBM im Jahr 1956 steht nun mit der SSD ein legitimer Nachfolger bereit. Wer jedoch mit der neuen Speichertechnik und der Anschaffung eines solchen Laufwerks liebäugelt, kann sich leicht im Dickicht unzähliger Angebote, Formate, Anschlüsse und Fachausdrücken wie TRIM, MLC, HSDL oder IOPS verfangen. Wie findet man überhaupt die passende SSD und worauf sollte man beim Kauf achten? Lesen sie hier die Antworten. Der SSD-Experte der OCZ Technology Group, Nico Stamp, erklärt die neue Technik im Detail und gibt Tipps, wie Sie die richtige SSD für jede Anwendung finden.

Was ist eine SSD?

Hinter der Abkürzung "SSD" steht eine Flash-Speichertechnologie, die langfristig die herkömmliche Festplatte ablösen wird. SSD bedeutet "Solid State Disk" oder auch "Solid State Drive", was im Deutschen etwa mit "Festkörperlaufwerk" oder auch "Halbleiterlaufwerk" übersetzt werden könnte. Ein SSD-Laufwerk kann wie eine herkömmliche magnetische Festplatte in den Rechner eingebaut und angesprochen werden. Eine SSD verwendet jedoch Halbleiter-Speicherbausteine und verzichtet damit auf bewegliche Teile wie sie in herkömmlichen Festplatten verwendet werden. Die Informationen werden bei einer SSD auf Flash-Bausteinen abgelegt. Das ist ein nichtflüchtiger Massenspeicher, wie wir es bereits von Speicherkarten, USB-Sticks oder MP3-Playern kennen. Nichtflüchtig bedeutet, dass der Speicher nicht dauerhaft mit Strom versorgt werden muss, um die gespeicherten Daten behalten zu können. Dadurch können Computer, welche eine SSD verwenden, ebenso wie ein Computer mit Festplatte, einfach ausgeschaltet werden, ohne dass Informationen verloren gehen. Beim nächsten Start sind alle Daten wieder vorhanden. Der Arbeitsspeicher (RAM) des Computers ist dagegen ein flüchtiger Speicher. Schaltet man den Computer aus, gehen alle Informationen verloren, die sich im Arbeitsspeicher befinden.

Was sind die Vorteile einer SSD gegenüber einer HDD?

Anders als bei magnetischen Festplatten gibt es bei SSDs keine beweglichen Teile. In einer SSD läuft der Speichervorgang rein elektronisch ab. Man könnte sich eine SSD technisch gesehen wie einen überdimensionierten USB-Stick vorstellen. Durch den Wegfall der empfindlichen Motorlagerung und Lese-Schreib-Mechanik von Hard Disk Drives (HDDs) ergibt sich eine deutlich verbesserte Stoßfestigkeit und qualifiziert SSDs damit gerade auch für den mobilen Einsatz. Die Flash-Laufwerke überstehen Stürze und Stöße mit Krafteinwirkungen von bis zu 1500G. Die Vorteile einer SSD gegenüber herkömmlichen Festplatten sind demnach im Wesentlichen die mechanische Robustheit, sehr kurze Zugriffszeiten, ein lautloser Betrieb, ein geringeres Gewicht, ein niedriger Energieverbrauch und dadurch weniger Abwärme, was vor allem Notebooks zu Gute kommt und die Akkulaufzeit verlängert.

Welche Anschlüsse und Formate haben SSDs?

Ähnlich wie bei HDDs ist auch bei SSDs eine hohe Bandbreite an verschiedenen Anschlüssen und Formaten verfügbar. Die Hersteller bieten für jede Schnittstelle eine SSD-Lösung, ganz gleich ob IDE, SATA/II/III, SAS, eSATA, USB 2.0/3.0, LIF, ZIF, ExpressCard, PCI-Express, mini-PCI-Express oder sogar HSDL gewünscht werden. Ebenso vielfältig ist die Zahl verschiedener Formate für alle gängigen Anwendungsgebiete. Die meisten SSDs werden im 2,5-Zoll-Formfaktor produziert - die gängige Größe für die meisten Notebook-Modelle. Darüber hinaus werden SSDs in den Faktoren 1,0 Zoll, 1,8 Zoll und 3,5 Zoll gebaut. Zusätzlich dazu bieten die Hersteller PCI-Express-Karten und externe Speicherlösungen an. Angesichts dieser Vielfalt dürfte es kaum eine HDD geben, die sich nicht von einer SSD ersetzen lässt.

Welche Transferraten erreichen SSDs?

Nachdem aktuelle SSDs spielend die Bandbreite von 300 MB/s der weit verbreiteten SATA-II-Schnittstelle ausreizen, umgehen einige Hersteller diesen Flaschenhals mit PCI-Express basierten RAID-Lösungen. Hier werden die Komponenten mehrerer SSDs zusammen mit einem RAID-Controller auf einer PCI-E-x4 oder -x8 Karte verbaut. So sind Transferraten von bis zu 1,4GB/s möglich. Ferner wurde im September 2010 mit HSDL eine offene Schnittstelle vorgestellt, die über PCI-Express bis zu 2GB/s transportiert und so speziell im High-End-Bereich neue Maßstäbe setzte. Im Rahmen der CES 2011 präsentierten einige Hersteller Anfang Januar dieses Jahres neue SSD-Modelle, die auf neue Controller aus den Häusern Micron und Sandforce setzen. Der Trend geht hier zu SATA-3, womit die dort vorgestellten SSDs Transferraten von bis zu 550 MB/s erreichen. Mit der Studie "Ibis XL" wurde zudem ein Ausblick auf die SSD-Entwicklung im Jahr 2011 gewährt. Dieser Prototyp erreicht bei einer Kapazität von 4TB eine Transferrate von bis zu 1,8 GB/s bei 200.000 IOPS (4KB Random Write).

Was ist der Unterschied zwischen MLC und SLC?

Multi-Level-Cell (MLC) und Single-Level-Cell (SLC) sind zwei unterschiedliche Arten von Speicherzellen oder allgemein von NAND-Flash-Speichern. Eine SLC-Speicherzelle speichert genau ein Bit, eine MLC mehr als ein Bit pro Zelle. Das Abspeichern von mehreren Bits pro Speicherzelle hat den Nachteil, dass sich die Lese- und Schreibgeschwindigkeit reduziert und bei einem Ausfall der Zelle die Bitfehlerrate erhöht. Der wesentliche Vorteil ist im Gegenzug die höhere Speicherdichte, da hier mehr als ein Bit pro Zelle abgespeichert wird. So kann auf der gleichen Chipfläche die doppelte oder noch größere Informationsmenge gespeichert werden als bei der Single-Level-Speicherung. Insbesondere bei Halbleiterspeichern bietet dies erhebliche Preisvorteile gegenüber SLC, da die benötigte Chipfläche bei der Herstellung ein wesentlicher Kostenfaktor ist. So kosten SLC-Chips zwar mehr, benötigen jedoch weniger Strom, übertragen Daten etwas schneller und sind insgesamt langlebiger als MLCs. Im Mainstream-Segment haben sich MLC-SSDs durchgesetzt. Die SLC-Variante ist dagegen ideal für Server oder Hochleistungsrechner.

Welche Funktion haben Controller und Firmware?

Der Controller (Steuereinheit) stellt ein Logiksystem dar, welches verschiedenste Vorgänge steuert oder regelt, und so die Kommunikation zwischen den SSD-Speicherzellen und dem Computer kontrolliert. Er bildet also einen zentralen Knotenpunkt, den zwangsweise alle Daten passieren müssen und der sich deshalb schnell zu einem Flaschenhals entwickeln kann. Eine SSD, die nur auf einen langsamen Controller zurückgreifen kann, wird spätestens dann mit einbrechenden Transferraten zu kämpfen haben, wenn es daran geht, viele einzelne, kleine Dateien hintereinander zu schreiben oder zu lesen. Mit dem Controller steht und fällt also die Leistungsfähigkeit einer SSD. Es gibt mittlerweile eine ganze Reihe von Controller-Herstellern. Am weitesten verbreitet sind Modelle von Intel, JMicron, Indilinx, Samsung und Sandforce. Im Mainstream-Segment sind insbesondere die Controller von Indilinx ("Barefoot" und "Amigos") populär, im High-End-Bereich kommen häufig Produkte von Sandforce ("SF1200", "SF1500") zum Einsatz.

Unter Firmware versteht man Software, welche in elektronische Geräte eingebettet und speziell bei SSDs auf einem Teil der Speicherzellen abgelegt ist. Der Begriff leitet sich davon ab, dass Firmware funktional fest mit der Hardware verbunden und das eine ohne das andere nicht nutzbar ist. Sie stellt also das für den Nutzer unzugängliche Betriebssystem der SSD dar und befiehlt dem Controller, wie er sich zu verhalten hat. Controller und Firmware beziehungsweise das Zusammenspiel der beiden Komponenten bilden damit wichtige Faktoren für die Qualität einer SSD.

Was bedeutet TRIM-Support?

Was auf den ersten Blick wie ein Begriff aus der Fitness-Branche anmutet, bezeichnet in der Fachsprache Gegenmaßnahmen, um dem Performance-Verlust bei SSDs vorzubeugen. TRIM ist ein Befehl zur Markierung ungenutzter oder ungültiger Datenblöcke zum Zweck, dass sich diese später wieder beschreiben lassen. So wird der SSD mitgeteilt, dass gelöschte oder anderweitig freigewordene Blöcke nicht mehr benutzt werden.

Der Hintergrund: Zwar gibt es bei SSDs keinen mechanischen Verschleiß wie etwa bei Festplatten. Doch mit zunehmenden Lösch- und Wiederbeschreib-Vorgängen benötigt eine einfache SSD immer länger für die Datenspeicherung. Der Grund: Was magnetische Festplatten in einem Durchgang abarbeiten, erledigt eine SSD in zwei Schritten. Wenn eine Datei auf einer SSD über das Betriebssystem gelöscht wird, dann wird auf dem SSD-Laufwerk nur der Eintrag dieser Datei im Inhaltsverzeichnis des Speichers gelöscht - die eigentlichen Daten befinden sich nach wie vor auf einigen Speicherzellen der SSD. Mit der Zeit sind so immer weitere Bereiche auf der SSD mit eigentlich gelöschten Daten gefüllt. Beim erneuten Schreiben muss eine SSD diese Zellen erst leeren, bevor sie jene neu beschreiben kann, was die Schreibgeschwindigkeit etwas verlangsamt. Durch den TRIM-Befehl wird dies unterbunden. Linux ab Release 2.6.33 und Windows 7 unterstützen TRIM.

Was versteckt sich hinter Garbage Collection?

Garbage Collection, sofern unterstützt, stellt ein in der Firmware enthaltenes Feature (Speicher-Manager) dar, welches für eine automatische Speicherbereinigung sorgt. Nicht mehr benötigte Daten werden bereits vor einer neuen Beschreibung aus den Speicherzellen gelöscht. Damit steht dieser Speicherbereich von Haus aus für zukünftige Schreibvorgänge bereit. Diese Bereinigung entspricht also bildlich tatsächlich einer Müllabfuhr, welche sozusagen für eine Minimierung des Speicheranspruchs eines Prozesses steht. Damit lässt sich die ineffiziente Nutzung des bereits zugeteilten Speichers sowie eine Verlangsamung von Datentransfers vermeiden. Im Gegensatz zu TRIM ist Garbage Collection in der Regel unabhängig vom verwendeten Betriebssystem und läuft vollautomatisch.

Was ist ein "Bad Block Management"?

Das Bad Block Management von SSDs sorgt dafür, dass Dateien aus fehlerhaften Bereichen (Zellen) in funktionierende Zellen verschoben werden. Die defekte Zelle wird dann für die künftige Speicherung von Daten ausgeschlossen und eine neue nimmt dafür ihren Platz ein. So wird mit der Betriebsdauer einer SSD zwar theoretisch der nutzbare Speicherplatz weniger, die Datensicherheit und Datentransfergeschwindigkeit bleibt aber auf gleichem Niveau. Heutige SSDs sind oftmals bereits in zwei Partitionen eingeteilt, so dass für den Ersatz ausgefallener Zellen bereits ab Werk ein entsprechender Puffer zur Verfügung steht. Beispielsweise werden bei einem SSD-Modell, welches dem Anwender 120 GB zur Verfügung stellt, 8 GB (Differenz aus 128 GB) als Puffer (Spare Block) verwendet.

Was bedeutet ECC-Fehlerkorrektur?

Fehlerkorrekturverfahren dienen dazu, Fehler bei der Speicherung und Übertragung von Daten zu erkennen und wenn möglich, zu korrigieren. Fehlererkennungsverfahren beschränken sich auf eine reine Fehlererkennung. Dazu wird vor der Datenspeicherung oder Übertragung den Nutzdaten zusätzliche Redundanz in Form zusätzlicher Bits hinzugefügt, die auf der Zielseite dazu genutzt wird, um Fehler und Fehlerpositionen zu bestimmen. Unkorrigierbare Bitfehlerraten (UBER = Uncorrectable Bit Error Rates) treten auf, wenn bei einer SSD Datenlesefehler entstehen. Bei einer HDD liegt dieser Wert etwa bei einem Fehler pro 1016 Bits Lesen. Bei SSDs liegt die Datenübertragungsrate meist deutlich über 250 MB/s, so dass UBER recht hoch sein muss (über 1017) um eine entsprechende Zuverlässigkeit zu gewährleisten. SSDs benötigen deshalb einen aufwändigeren ECC-Schutz, das heißt der SSD-Controller muss flexibel genug sein, um komplexere ECC-Algorithmen zu verarbeiten.

Was sind IOPS?

Input/Output Operations Per Second (IOPS) ist ein Leistungswert für elektronische Speichermedien. Die Masseinheit gibt an, wie viele Ein- und Ausgabebefehle eine SSD beziehungsweise deren Controller pro Sekunde durchführen kann. Je höher dieser Wert, desto schneller und damit leistungsfähiger ist der entsprechende Datenträger.

Wofür steht MTBF?

MTBF steht für Mean time between/before failure. Gemeint ist damit die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen eines Produktes, sprich die geschätzte Lebensdauer eines Produktes, bevor es ausfällt. Dabei steht die Betriebsdauer im Fokus, also die Betriebszeit zwischen zwei aufeinander folgenden Ausfällen einer instand zu setzenden Einheit. Dies ist ein Schätzwert oder ein empirischer Wert (Erwartungswert). Generell gilt: Je höher der MTBF-Wert, desto zuverlässiger ist das Gerät. Als Beispiel wird ein Gerät mit einer MTBF von 100 Stunden im Mittel öfter ausfallen als ein gleichartiges Gerät mit einer MTBF von 1000 Stunden.

Bei SSDs sind beispielsweise MTBF-Werte von 2.000.000 Stunden üblich, dies entspricht etwa 228 Jahren. Daraus kann die Wahrscheinlichkeit berechnet werden, dass es während der Nutzungsdauer zu einem Ausfall kommt. Schätzwerte für die MTBF können durch Lebensdauerversuche ermittelt werden, gegebenenfalls auch mit extremen Beanspruchungen wie beispielsweise durch Strahlung, Feuchtigkeit sowie Erschütterungen und Hitze. Solche Tests sind jedoch nicht standardisiert.

Was ist ein Supercap?

Der SuperCapacitor (Supercap) fungiert als eine temporäre und zuverlässige Stromreserve. Im Falle eines plötzlichen Spannungsverlusts kann das Laufwerk damit seine Aufgaben beenden, ohne Daten zu verlieren. Die Elektroden mit der Ladungsträgerschicht als Dielektrikum verhalten sich wie zwei Kondensatoren, die über den elektrisch leitenden Elektrolyten in Reihe geschaltet sind. Sie speichern die Energie im Gegensatz zu elektrochemischen Energiespeichern (Batterien und Akkus) elektrostatisch. Mit der Verwendung von Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) lassen sich deutliche Gewichtseinsparungen und eine Verlängerung der Lebensdauer erreichen.

Wofür steht RAID?

RAID ist die Abkürzung für "Redundant Array of Independent Disks", also "Redundante Anordnung unabhängiger Festplatten". Ein RAID-System organisiert mehrere physische Laufwerke eines Computers zu einem logischen Laufwerk. Dies erlaubt eine höhere Datenverfügbarkeit bei Ausfall einzelner Festplatten sowie einen größeren Datendurchsatz als ein einzelnes Laufwerk. Während die meisten verwendeten Techniken und Anwendungen in Computern darauf abzielen, das Vorkommen doppelter Daten (Redundanzen) zu vermeiden, werden bei RAID-Systemen gezielt redundante Informationen erzeugt. Somit soll das RAID als Ganzes, beim Ausfall einzelner Komponenten, seine Integrität und Funktionalität behalten. Dies darf jedoch nicht mit einer Datensicherung gleichgesetzt werden. Generell wurde RAID entwickelt, um Plattenzugriffe zu beschleunigen und die MTBF zu erhöhen.

Der Betrieb eines RAID-Systems setzt mindestens zwei SSDs voraus. Diese werden gemeinsam in einem Verbund betrieben, der unter mindestens einem Aspekt betrachtet leistungsfähiger ist als einzelne SSDs. Vorteile wären unter anderem:

• Erhöhung der Ausfallsicherheit (Redundanz, beispielsweise RAID 1 oder RAID 5).

• Steigerung der Transferraten (Leistung, beispielsweise RAID 0).

• Aufbau großer logischer Laufwerke.

• Austausch von Festplatten und Erhöhung der Speicherkapazität während des Systembetriebs.

• Kostenreduktion durch Einsatz mehrerer preiswerter SSD.

Die genaue Art des Zusammenwirkens der SSDs wird durch den RAID-Level spezifiziert. Die gängigsten sind RAID 0, RAID 1 und RAID 5.

Warum ist der 4KB Random Write-Benchmark so wichtig?

4 KB bildet die kleinste Standardblockgröße in Dateisystemen, die gelesen oder geschrieben werden kann. Dies ist insbesondere für SSDs relevant, da diese mit 64 KB großen Sektoren arbeiten und nicht mit 512 Byte, wie magnetische Festplatten. Das bedeutet, dass eine SSD mehr Arbeit erledigen muss als eine Festplatte. Mit Hilfe des 4-KB-Random-Write-Benchmark wird ermittelt, wie viel Zeit eine Festplatte oder SSD benötigt, um einen Block zu registieren und im MFT (Master File Table = Dateisystem) einzutragen.

Bildlich könnte man das mit einem Großlager vergleichen, in dem zwei Gabelstapler losgeschickt werden. Der eine mit einem einzigen großen Paket, der zweite mit 100 kleinen. Auch wenn der Stapler mit dem großen Paket nicht so schnell durch die Gänge rasen kann, weil er schwer beladen ist, so fährt er doch nur einen Weg und schreibt nur einmal eine Regalnummer auf, an der er das große Paket abgeladen hat. Der Stapler mit den kleinen Paketen muss Zick-Zack zwischen den Regalen fahren und sich zudem 100 Notizen machen, wo er was abgeladen hat. Das kostet eine Menge Zeit, selbst wenn dank MFT alle kleinen Pakete nur in Gang 1 und 2 abgelegt werden, anstatt im gesamten Lager verteilt. Es spielt also weniger eine Rolle wie schnell der Gabelstapler beziehungsweise die SSD ist, sondern eher wie intelligent beim Verteilen der Pakete beziehungsweise beim Schreiben von kleinen Blöcken vorgegangen wird.

Wie finde ich die richtige SSD?

Die Wahl der richtigen SSD für die eigenen Bedürfnisse hängt maßgeblich von den Anwendungsgebieten ab. Ein enthusiastischer Gamer dürfte vor allem an schnellen Ladezeiten interessiert sein, hier empfiehlt sich beispielsweise eine der genannten PCI-Express-Lösungen, die neben rasanten Zugriffszeiten auch eine mehr als ausreichende Bandbreite bereitstellen. Diese Produkte sind auch für professionelle Anwender interessant, zum Beispiel in der Grafik- und Videobearbeitung, wo häufig große Dateien transportiert werden. Die Bandbreite moderner PCI-Express-SSD-Lösungen sorgt an dieser Stelle für ein flüssigeres Arbeiten mit erheblicher Zeitersparnis.

Für Büro- und Office-Applikationen sind eher schnelle Zugriffszeiten als eine große Transferbandbreite relevant, so eignet sich für diesen Zweck eine gute Mittelklasse-SSD auf MLC-Basis.

Bei Workstations oder Servern, die Mission-Critical-Anwendungen ausführen, sollte die Wahl auf eine Enterprise-SSD fallen, im Optimalfall ein Modell mit SLC NAND und Supercap. Vor allem Supercap als "Mini-USV" ist ein Feature, auf das in diesem Anwendungsbeispiel nicht verzichtet werden sollte.

Es lassen sich also folgende Empfehlungen festhalten:

• Einsteiger: Günstige MLC SSD.

• Office: Mittelklasse MLC SSD.

• Workstation mit großen Datenvolumen: High-Performance MLC SSD, bevorzugt PCIe.

• Gamer/Enthusiast: High-Performance MLC SSD.

• Enterprise/Server: High-Performance SLC SSD, bevorzugt mit Supercap.

Auf was sollten Anwender beim Kauf besonders achten?

Das Hauptkriterium bei der Produktauswahl sollte der Controller sein. Mit der Qualität des verbauten Controllers steht und fällt die Qualität der SSD. Empfehlenswert sind insbesondere aktuelle Indilinx- und Sandforce-Controller, ältere Controller anderer Hersteller hatten zum Teil mit Leistungseinbrüchen zu kämpfen. Neben der Qualität der Hardware ist auch die Qualität der Software entscheidend, gemeint ist in diesem Fall die Firmware der SSD. So sollte bei der Kaufentscheidung auch die Produktunterstützung ein Faktor sein. Regelmäßige Firmware-Updates sind ein Zeichen dafür, dass der Hersteller sein Produkt pflegt und verbessert.

Fazit: SSD wird Festplatten ablösen

Endlich ist es so weit. Das vermutlich älteste Relikt der Computergeschichte, die magnetische Festplatte, darf sich langsam auf den verdienten Ruhestand freuen. Zwar wird uns die konventionelle Festplatte als kostengünstiger Massenspeicher mit Sicherheit noch ein paar Jahre erhalten bleiben. Mehr als ein Datenlager war die Festplatte jedoch nie. Seit ihrer Geburt im Jahre 1956 verlief die Entwicklung der Festplatte nur langsam. In ihrer jüngsten Evolutionsstufe kommt sie meist mit 7200 UPM und einer Übertragungsrate von etwa 125MB/s daher. In den letzten Jahrzehnten hat sich technologiebedingt nicht viel geändert - lediglich die Kapazitäten erhöhten sich laufend. Im Gegensatz dazu stand der Fortschritt in der Rechenleistung von Prozessoren und Grafikkarten, hier jagte ein Superlativ den nächsten, während die HDD oft den Flaschenhals in den Systemen bildete.

In den letzten zwei Jahren reifte die SSD zu einem Mainstream-tauglichen Produkt heran. Die SSD ist erwachsen geworden, kleine Kinderkrankheiten wurden kuriert und die Preise sind erheblich gesunken. Ein günstiges Einstiegsmodell ist heute schon für etwa 55 Euro zu haben.

Daneben beeindrucken die Flash-basierten Datenträger vor allem durch ihre Leistungsdaten. High-End Lösungen erreichen Transferraten von bis zu 1,4GB/s. Darüber hinaus versprechen SSDs durch ihre schnellen Zugriffszeiten einen deutlichen Leistungsschub. 0,1 Millisekunden (ms) benötigt eine SSD durchschnittlich, um auf eine Datei zuzugreifen. Eine konventionelle Festplatte braucht dafür etwa 13 ms. Jeder kennt diese gefühlten Ewigkeiten, die eine Festplatte benötigt, wenn eine Datei oder ein Programm geöffnet werden soll. Begleitet vom Rattern des Lesekopfes beginnt die Suche auf dem Platter, je nach Programm vergehen einige Sekunden, bis der Ladevorgang abgeschlossen ist. Gerade dieser Vorgang wird von SSDs extrem beschleunigt. Einfache Programme wie Browser oder Word sind nahezu sofort einsatzbereit. Der Start des Betriebssystems, das Laden eines Spielstandes oder das Öffnen einer Projektdatei verläuft wesentlich schneller. Von diesem Quantensprung in Sachen Zugriffszeiten profitiert jeder Anwender, egal ob es sich um einen ambitionierten Gamer, einen Systemadministrator oder einen Grafikdesigner handelt. Verkürzte Ladezeiten bedeuten in jedem Fall gewonnene Zeit.