November 2014 - SSD

Da wir in den vergangenen Wochen bei vielen unserer PCs  die Harddisk durch eine SSD ersetzt haben, möchte ich hier etwas über die SSD schreiben.

Allgemeines

Eine SSD (Auch Solid State Drive oder Solid State Disk genannt) ist ein nichtflüchtiges elektronisches Speichermedium*.

Die Bezeichnung "Drive" (engl. für Laufwerk) bezieht sich eigentlich nur darauf, dass sie die herkömmlichen HDDs ersetzten soll, die SSD selber ist nämlich kein Laufwerk.
In der Elektronik bedeutet der englische Begriff "solid state", dass Halbleiterbauteile verwendet werden statt Elektronenröhren oder bewegliche mechanischer Teile.

Eine SSD hat gegenüber einer HDD einige sehr interessante Vorteile. Einer der wichtigsten Vorteile ist, dass die SSD um ein vielfaches schnellere Zugriffszeiten hat. Ein weiterer sicher nicht unwichtiger Vorteil ist, dass die SSD sehr viel robuster ist, da sie über keine mechanischen Teile verfügt, zudem hat eine SSD aus diesem Grund kaum Geräuschentwicklung.

Der Hauptnachteil einer SSD im Vergleich zu einer HDD ist derzeit der noch erheblich höhere Preis.

Auch kann eine SSD ausfallen (trotz ihrer mechanischen Robustheit) oder Systemfehler verursachen. Grund dafür ist meist ein Fehler im verwendeten Controller oder der Firmware. Besonders neuere Modelle kommen vermehrt mit unausgereifter Firmware auf den Markt, die dann mit Updates nachgebessert werden muss.
Weiterhin gibt es zwischen den SSD Modellen auch Unterschiede bei den verbauten Flash-Speichern.
Der Preis einer SSD liegt bei ungefähr dem Neunfachen des Preises einer gewöhnlichen HDD.
Es ist auch möglich, dass eine HDD  mit einer SSD zu einem Gerät kombiniert wird, hier spricht man von einer Hybridfestplatte (auch SSHD)

*ein nichtflüchtiger Speicher ist ein Medium, bei dem die Daten auch dann gespeichert sind, wenn das Medium nicht mit Strom versorgt wird.

SSD als Ersatz einer HDD

Erste SSDs

SSDs wurden ursprünglich im Jahre 1950 das erste Mal gebaut mit zwei ähnlichen Technologien. Einerseits dem Magnetkernspeicher (frühe Form von nichtflüchtigem Speicher) aber auch mit dem Card Capacitator Read-Only Storage (frühe Form des Festwertspeichers, nur lesbar). 

Beide Technologien wurden wegen des günstigeren Trommelspeichers (Vorgänger der Festplatte) wieder aufgegeben.

In den 1970er - 1980er Jahren wurden SSDs in den frühen IBM-Supercomputern implementiert wurden aber wegen des hohen Preises selten verwendet. In den späten 70er Jahren brachte dann "General Instruments" das EAROM (eine Form des Festwertspeichers) auf den Markt, dieses hatte mit der Flash Technologie von heute schon grosse Ähnlichkeit. Es wurde aber von vielen Unternehmen wieder aufgegeben, da die Lebensdauer dieses Speichers unter 10 Jahren liegt.

Im Jahre 1995 stellte M-Systems erstmals eine Flash-basierte SSD vor, welche keine zusätzliche Batterie benötigte um die Daten zu behalten. Ab diesem Zeitpunkt wurden SSDs als Ersatz von HDDs eingesetzt.

Speicher-Verfahren

Auch heute werden noch zwei verschiedene Arten von Speicherchips verwendet. Flash basierte und SDRAM (wird häufig als Arbeitsspeicher verwendet).

Flash-Speicher sind sehr energieeffizient und nicht abhängig vom Strom, wenn es um das Beibehalten des Inhalts geht. Von Herstellern werden hier ca. zehn Jahre versprochen. Anzahl Schreibzyklen: 100'000 bis 5 Millionen.

Etwa 10% einer Zelle in einer SSD dienen als Reserve. Falls durch Verschleiss eine nicht mehr funktionstüchtig wäre, wird sie mittels S.M.A.R.T. (dient zum permanenten Überwachen wichtiger Parameter von Computerfestplatten) automatisch gegen eine Reservezelle ausgetauscht.

SDRAM-Chips brauchen hingegen deutlich mehr Strom pro Gigabyte als HDD. Auch sind sie flüchtige Speicher. Der Vorteil hier liegt dafür in der deutlich höheren Geschwindigkeit. Sie können als Steckkarte oder aber auch als Gerät mit einer emulierten Festplattenschnittstelle (oft mit einer Batterie oder einem eigenen Stromanschluss) verwendet werden. Gegenüber der Flash-Technik sind sie 80 mal schneller. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wiederbeschreibbarkeit fast unbegrenzt ist.

SDRAM als Steckkarte

Manche Hersteller integrieren auch konventionelle Festplatten in ein Gehäuse der SDRAM, Um die Vorteile beider Speicher nutzen zu können, zum Beispiel eine Sicherungskopie auf der Festplatte zu machen, falls es einen Stromausfall gäbe.

Einsatzgebiete (Vorteile)

Die erhöhte Stossfestigkeit wird durch den Wegfall der empfindlichen Motoren, der Lese-Schreib-Mechanik und der rotierenden Platten gewährleistet. Auch die Temperaturtoleranz ist grösser. Betreffen tut dies die Temperatur, bei der die SSD betrieben wird, wie auch die Toleranz der Temperaturveränderung. Am häufigsten findet man flashbasierte SSDs in mobilen Geräten, wie zum Beispiel in einem Smartphone, einem MP3-Player oder einem USB-Stick. Auch für Notebooks werden sie interessanter wegen des deutlich gesunkenen Preises. Hybridfestplatten (SSHD) und reine SSDs gibt es seit 2007 auf dem Endkundenmarkt.

SDRAM-basierte SSDs lassen sich meist in stationären Einsätzen finden. Das Einsatzgebiet sind Anwendungen, die sehr laufwerklastig arbeiten, indem sie wiederholt Datenmengen von verschiedensten Speicherbereichen des Speichermediums abfragen. Weshalb sie oft von Entwicklern und Testern benutzt werden, um die Leistungsfähigkeit von Festplatten-Controllern zu messen.
2007 lag die Geschwindigkeit einer SDRAM beim 30-fachen einer Flash-SSD.

Aufgrund steigender Leistung der Flash-SSD wurde bereits 2008 eine von der Geschwindigkeit vergleichbar schnelle Flash-SSD entwickelt. Sie wurde zugunsten der Geschwindigkeit als PCI-e-Karte angeboten, wodurch sie für den Endkundenmarkt recht uninteressant war.

Hybridfestplatte - SSHD

Die SSHD ist eine Festplatte, die mit einem Solid State kombiniert ist. Die geringe Grösse des Solid State Speichers soll verhindern, dass das Speichermedium zu teuer wird, seine Vorteile aber schon jetzt einem breiten Markt zur Verfügung stehen.
Die Kombination von HDDs und Flash-Speicher wird durch grosse Hersteller unterstützt und wird auch künftig weiter verbreitet sein. Technisch gibt es zwei Umsetzungen. Bei Intel wird der Flash-Speicher nicht in die Festplatte selbst integriert, sondern über einen internen Anschluss mit dem Motherboard verbunden. Da der Flash-Speicher somit physisch immer noch von der Festplatte getrennt ist, entsteht in diesem Sinne eigentlich keine richtige Hybridfestplatte, das Ergebnis bleibt jedoch dasselbe. "Turbo Memory" nennt Intel diese Technik. Alle anderen Anbieter von Hybridfestplatten sind Festplattenhersteller, weshalb sie den Flashspeicher direkt in die Festplatte integrieren müssen. Meist liegt der Flash-Speicher bei 256 MB, Intel verwendet jedoch die vier- bis achtfache Kapazität.

Da der Flash-Speicher durch diese Integration beim Schreiben sogar langsamer als die Festplatte ist, ist er kein Ersatz sondern eine Ergänzung. Der Flashspeicher speichert bei häufigem Zugriff auf eine Datei diese in seinen Flashbereich, wodurch die Datei dann viel schneller gelesen werden kann. Bei Büroarbeiten zum Beispiel muss die Festplatte also nicht immer neu anlaufen, um auf eine Datei zuzugreifen und ist daher vielfach lautlos und stromsparender. Zudem hat eine solche SSHD im Stillstand eine grössere Stossfestigkeit, weshalb sie vor allem in Notebooks Verwendung findet und deswegen vorerst nur in 2.5 Zoll verfügbar war.

HDD links und SSD rechts

SSDs auf dem Markt

Festplatten werden durch die SSDs immer mehr verdrängt, dies geschieht gerade noch vor allem bei mobilen Geräten. Durch Flashspeicher bleibt den Herstellern nur noch Gestaltungsfreiraum bei Geschwindigkeiten, Kapazität, Energiebedarf, Gehäusegrösse, Gewicht und Preis. Da SSDs noch sehr teuer sind und Endkunden nicht so viel Geld für ein Speichermedium ausgeben wollen, werden im Endkundenmarkt nicht sehr grosse SSD angeboten. Stattdessen wird meistens eine SSD als Systemlaufwerk verwendet, da dort häufig nur das Betriebssystem (und evtl. kleinere Dateien) drauf laufen sollen. Die konventionellen Festplatten werden dann für grosse Dateien weiterhin verwendet, bei denen die Zugriffszeit keine so grosse Rolle spielt.