Definition

Solid-State Drive (SSD)

Eine SSD (Solid State Drive) ist eine Art nichtflüchtiges Speichermedium, das dauerhaft Daten auf einem Solid-State-Flash-Speicher speichert. Zwei Schlüsselkomponenten bilden eine SSD: ein Flash-Controller und NAND-Flash-Memory-Chips. Die Architekturkonfiguration des SSD-Controllers ist optimiert, um eine hohe Lese- und Schreibleistung sowohl bei sequentiellen als auch bei zufälligen Datenanfragen zu erzielen. SSDs werden manchmal auch als Flash-Laufwerke oder Solid-State-Platten (Solid State Disks) bezeichnet.

Fortsetzung des Inhalts unten

Im Gegensatz zu einem Festplattenlaufwerk (HDD) hat eine SSD keine beweglichen Teile, die brechen oder sich auf- oder abwärts bewegen können. Eine herkömmliche HDD besteht aus einer sich drehenden Platte mit einem Lese-/Schreibkopf auf einem mechanischen Arm, der als Aktuator bezeichnet wird. Der HDD-Mechanismus und die Festplatte sind als eine integrierte Einheit verpackt. Unternehmen und Computerhersteller haben in der Vergangenheit rotierende Platten aufgrund ihrer niedrigeren Stückkosten und höheren durchschnittlichen Lebensdauer verwendet, obwohl SSDs heute in Desktop- und Laptop-PCs üblich sind.

So funktionieren SSDs

Eine sich drehende Festplatte liest und schreibt Daten magnetisch und ist eines der ältesten Speichermedien im Dauerbetrieb. Die magnetischen Eigenschaften können jedoch zu mechanischen Ausfällen führen. Eine SSD hingegen liest und schreibt die Daten auf ein Substrat aus miteinander verbundenen Flash-Speicherchips, die aus Silizium hergestellt sind. Die Hersteller bauen SSDs, indem sie die Chips in einem Gitter stapeln, um unterschiedliche Dichten zu erreichen.

Um Volatilität (Flüchtigkeit des Speichers) zu vermeiden, entwerfen die SSD-Hersteller die Bauelemente mit Floating-Gate-Transistoren (FGR), die die elektrische Ladung halten. Dadurch kann eine SSD gespeicherte Daten auch dann speichern, wenn sie nicht an eine Stromquelle angeschlossen ist. Jeder FGR enthält ein einzelnes Datenbit, das entweder als 1 für eine geladene Zelle oder als 0 bezeichnet wird, wenn die Zelle keine elektrische Ladung hat.

Jeder Datenblock ist mit einer konsistenten Geschwindigkeit zugänglich. SSDs können jedoch nur auf leere Blöcke schreiben. Um dieses Problem zu umgehen, können SSDs Methoden zur Überbereitstellung (Overprovisioning), Wear Levelling oder zur Garbage Collection verwenden. Dennoch kann sich die Leistung von SSDs mit der Zeit verlangsamen. Die Wear Levelling gleicht die Workload für Flash-Zellen aus, während die Garbage Collection veraltete Dateien im Hintergrund des Betriebs löscht.

SSDs verwenden vier Haupttypen von Speicher, nämlich Single-, Multi-, Triple- und Quadruple-Level Cells. Einstufige Zellen können jeweils ein Datenbit auf einmal aufnehmen - eins oder null. Single-Level Cells (SLC) sind die teuerste Form von SSD, aber auch die schnellste und haltbarste. Multi-Level-Zellen (MLC) können zwei Datenbits pro Zelle aufnehmen und verfügen über eine größere Menge an Speicherplatz in der gleichen Menge an physischem Raum wie SLC. MLCs haben jedoch eine langsamere Schreibgeschwindigkeit. Dreistufige Zellen (TLC) können drei Datenbits in einer Zelle aufnehmen. TLCs haben einen niedrigeren Preis, aber langsamere Schreibgeschwindigkeiten und eine geringere Haltbarkeit. TLC-basierte SSDs bieten mehr Flash-Kapazität und sind billiger als ein MLC oder SLC, allerdings mit einer höheren Wahrscheinlichkeit für Bit Rot, da sie acht Zustände innerhalb der Zelle haben. Quadruple-Level Cell können vier datenbist fassen, aber auch hier ist die Lebensdauer weit kürzer bemessen als die der SLCs beispielsweise.

Die Halbleiterhersteller entwickeln weiterhin immer kleinere Chipsätze, die hochdichte SSDs ermöglichen. Intel, Micron, Samsung und Western Digital bieten SSDs an, die auf 64-Schicht-NAND-Flash basieren. Derzeit hat der koreanische Flash-Hersteller SK Hynix die dichteste SSD behauptet - ein 72-Schicht-256 GB 3D-NAND-Gerät. Im Jahr 2018 führten Intel und Micron NAND mit QLC ein. Toshiba stapelt seine SSDs mit bis zu 96 Schichten.

SSD-Geschichte und die Einführung in Enterprise Storage

Die frühesten Solid-State-Laufwerke wurden im Allgemeinen für Consumer-Geräte entwickelt. Das Debüt des Apple iPod im Jahr 2005 war das erste bemerkenswerte Flash-basierte Gerät, das den Verbrauchermarkt weitgehend durchdrang.

Abbildung 1: Ein Beispiel einer SSD von Samsung
Abbildung 1: Ein Beispiel einer SSD von Samsung

EMC - heute als Dell EMC bekannt - wird das Verdienst zugeschrieben, der erste Anbieter zu sein, der SSDs in die Speicherhardware von Unternehmen integriert hat, als er die Technologie 2008 in seine Symmetrix-Festplattenarrays aufnahm. Dies führte zur Einführung von hybriden Flash-Arrays, die Flash-Laufwerke und HDDs kombinieren. In den meisten Fällen werden Unternehmens-SSDs in hybriden Arrays für das Caching von Lesevorgängen in Flash verwendet. Dies ist auf die höheren Kosten und die geringere Lebensdauer von SSDs im Vergleich zu HDDs zurückzuführen.

Die frühesten kommerziell entwickelten SSDs wurden mit der Multi-Level-Cell (Enterprise MLC)-Flash-Technologie für Unternehmen hergestellt, die im Vergleich zu Consumer-MLCs verbesserte Schreibzyklen aufweist. Es werden neuere Unternehmens-SSDs vermarktet, die Triple-Level-Cell (TLC) verwenden. SSDs, die mit 3D-NAND hergestellt wurden, stellen die nächste Entwicklung dar. IBM, Samsung, Intel und Toshiba haben SSDs mit 3D-NAND produziert und vermarktet, bei denen Flash-Speicherzellen in vertikalen Schichten übereinander gestapelt sind. Toshiba hat sein Flash-Chip-Geschäft im Jahr 2017 verkauft.

Die Einführung von Flash in Unternehmen nimmt aufgrund der verbesserten Verschleißfestigkeit und der sinkenden Flash-Preise zu, obwohl der Preisverfall durch die Verknappung des weltweiten Flash-Angebots gestoppt wurde. Experten behaupten, dass SSDs in einigen Anwendungsfällen beginnen, die traditionelle Festplatte zu verdrängen, obwohl Flash-Laufwerke und HDDs in vielen Unternehmen in absehbarer Zukunft nebeneinander existieren dürften. So sind SSDs beispielsweise auf Hochleistungsspeicher ausgerichtet, aber weniger auf die Langzeitarchivierung und Backups, bei denen in der Regel Festplatten zum Einsatz kommen.

Das folgende Video bietet Ratschläge zu den wichtigsten Dingen, die vor der Installation einer SSD in Ihrem Unternehmen zu beachten sind.

Einsatzgebiete für Solid-State-Laufwerke

SSDs bieten eine schnellere Speicherung und andere Leistungsvorteile als Festplatten. Unternehmen mit einem schnell wachsenden Bedarf an höheren I/Os haben die Entwicklung und Einführung von SSDs vorangetrieben. Da SSDs eine geringere Latenzzeit als HDDs offerieren, können sie sowohl hohe Lese- als auch Zufallsarbeitslasten (Random Workloads) effizient bewältigen. Die geringere Latenzzeit ist auf die Fähigkeit eines Flash-SSD zurückzuführen, Daten direkt und sofort von einer bestimmten Zellenposition zu lesen.

Ein All-Flash-Array nimmt nur SSDs als Storage in Anspruch. Ein hybrides Flash-Array kombiniert Festplattenspeicher und SSDs, wobei der Flash für die Zwischenspeicherung (Caching) von heißen Daten (Hot Data) verwendet wird, die später auf Platte oder Band geschrieben werden. In serverseitigen Flash-Konfigurationen werden SSDs in x86-Computern installiert, um gezielte Arbeitslasten zu unterstützen, manchmal in Verbindung mit Netzwerkspeicher.

Hochleistungsserver, Laptops, Desktops oder jede andere Anwendung, die Informationen in Echtzeit oder beinahe in Echtzeit liefern müssen, können von der Solid-State-Laufwerkstechnologie profitieren. Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sich Unternehmens-SSDs für das Verlagern von Lesevorgängen aus transaktionsintensiven Datenbanken, zur Reduzierung von Boot Storms in virtuellen Desktop-Infrastrukturen (VDI) oder innerhalb eines Speicher-Arrays zur lokalen Bereitstellung von heißen Daten für die externe Speicherung in einem hybriden Cloud-Szenario.

SSDs werden in einer Reihe von Verbrauchergeräten eingesetzt, darunter Computerspiele, Digitalkameras, digitale Musikplayer, Laptops, PCs, Smartphones, Tablets und USB-Laufwerken. Diese Geräte sind nicht so konzipiert, dass sie die gleiche Leistung oder Haltbarkeit wie eine Unternehmens-SSD bieten.

Die wichtigsten Merkmale

Mehrere Merkmale charakterisieren das Design eines SSD. Da sie keine beweglichen Teile verwendet, ist eine SSD nicht dem mechanischen Versagen unterworfen, das bei HDDs auftritt. Sie ist außerdem leiser und verbraucht weniger Strom als die Festplatte. Und da SSDs weniger wiegen als Festplatten, eignen sie sich gut für Laptops und mobile Computergeräte.

Darüber hinaus enthält die SSD-Controller-Software eine vorausschauende Analyse (Predictive Analytics), die den Benutzer vor einem möglichen Laufwerksausfall warnt. Da Flash-Speicher anpassbar ist, können Hersteller von All-Flash-Arrays die nutzbare Speicherkapazität mit Datenreduzierungstechniken manipulieren.

Abbildung 2: Die wichtigsten Begriffe rund um die SSD-Technologie
Abbildung 2: Die wichtigsten Begriffe rund um die SSD-Technologie

SSD-Lebensdauer im Vergleich zu Festplatten

Eine Reihe von Faktoren beeinflusst die Lebensdauer von SSDs und HDDs, einschließlich der Feuchtigkeit und der Auswirkung von im Inneren der Laufwerke oxidierenden Metallen. Die Datenaufnahme auf beiden Medientypen verschlechtert sich im Laufe der Zeit, wobei HDDs im Allgemeinen eine höhere Anzahl von Schreiboperationen pro Tag unterstützen.

Wie bereits erwähnt, erhöhen die beweglichen Teile von HDDs die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen. Um dies zu kompensieren, bauen die Festplattenhersteller Stoßsensoren zum Schutz der Laufwerke und anderer Komponenten in den Geräten ein. Dieser Sensortyp nutzt Druckwiderstände (Piezowiderstände), um zu erkennen, ob das Gerät kurz vor dem Absturz steht, und ergreift dann Maßnahmen, um die Festplatte und die zugehörige kritische Hardware abzuschalten.

Hitzeeinwirkung ist ein weiterer Faktor, der die Lebensdauer eines Laufwerks beeinflusst, insbesondere bei SSDs. Branchenexperten empfehlen, ungenutzte SSDs bei niedrigen Temperaturen zu lagern, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Wenn eine SSD über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen betrieben wird, kann dies dazu beitragen, dass Elektronen aus dem NAND-Flash-Speicher austreten.

Flash unterstützt eine begrenzte Anzahl von Schreiboperationen pro Tag. Das Niveau der Datenspeicherung nimmt ab, wenn immer mehr Daten in die Flash-Zellen geschrieben werden. Enterprise-SSDs sind mit einer größeren Ausdauer als Consumer-SSDs konstruiert.

SSD-Formfaktoren

SSDs haben nicht die physischen Einschränkungen von HDDs. Dies ermöglicht es Laufwerksherstellern, SSDs in verschiedenen Formfaktoren anzubieten. Der gängigste Formfaktor ist eine 2,5-Zoll-SSD, die in verschiedenen Höhen erhältlich ist und Serial-Attached-SCSI- (SAS), Serial Advanced Technology Attachment- (SATA) und NVMe (Non-volatile Memory Express)-Protokolle unterstützt.

Die Solid State Storage Initiative (SSSI), ein Projekt der Storage Networking Industry Association (SNIA), hat drei wichtige SSD-Formfaktoren für das Unternehmen identifiziert.

  • SSDs, die in herkömmlichen HDD-Formfaktoren erhältlich sind und in dieselben SAS- und SATA-Steckplätze eines Servers passen.
  • Solid-State-Karten, die standardmäßige Add-in-Karten-Formfaktoren verwenden, wie beispielsweise solche, die eine PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)-Karte mit seriellem Anschluss verwenden, die sich auf einer Platine befindet. Eine SSD mit PCIe-Verbindung erfordert keine Netzwerk-Host-Bus-Adapter (HBAs) zur Weiterleitung von Befehlen, wodurch die Speicherleistung beschleunigt wird. Zu diesen Geräten gehören U.2-SSDs, die im Allgemeinen als der mögliche Ersatz für die derzeit in dünnen Laptops verwendeten miniSATA-Laufwerke angesehen werden.
  • Solid-State-Module, die sich in einem Dual In Line Memory Modul (DIMM) oder einem Small Outline DIMM (SO-DIMM) befinden und eine Standard-Festplattenschnittstelle wie SATA verwenden können. Diese Geräte sind als nichtflüchtige DIMM-Karten (NVDIMM) bekannt.

In einem Computersystem werden zwei Arten von Random Access Memory (RAM) verwendet: dynamischer RAM (DRAM), der bei Stromausfall Daten verliert, und statischer RAM (SRAM). NVDIMMs bieten den dauerhaften Speicher, den ein Computer zur Wiederherstellung von Daten benötigt. Ein NVDIMM platziert den Flash-Speicher in der Nähe des Main Boards, die Operationen werden jedoch im DRAM ausgeführt. Die Flash-Komponente wird in einen Memory Bus für das Backup auf Hochleistungsspeicher eingeschoben.

Sowohl SSDs als auch RAM enthalten Solid-State-Chips, aber die beiden Speichertypen funktionieren innerhalb eines Computersystems unterschiedlich. Wie bereits erwähnt, ist der Flash-Speicher ein Speichermedium, während der RAM ein aktiver Arbeitsspeicher ist, der die Berechnungen der aus dem Speicher abgerufenen Daten durchführt.

Abbildung 3: Verschiedene SSD-Formfaktoren auf einen Blick
Abbildung 3: Verschiedene SSD-Formfaktoren auf einen Blick

Es gibt zwei neuere Formfaktoren, die eine Erwähnung verdienen: M.2- und U.2-SSDs. Eine M.2-SSD variiert in der Länge - typischerweise zwischen 42 und 110 Millimeter - und wird direkt an ein Main Board angeschlossen. Die Kommunikation erfolgt über NVMe oder SATA. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen SSD-Formfaktor ist ein M.2-Gerät nicht im laufenden Betrieb austauschbar, und seine geringe Größe begrenzt die Oberfläche für die Wärmeableitung, was im Laufe der Zeit seine Leistung und Stabilität verringert. In Enterprise-Speichern werden M.2-SSDs häufig als Boot-Gerät verwendet. In Verbrauchergeräten, wie zum Beispiel einem Notebook, bietet eine M.2-SSD eine Kapazitätserweiterung.

Eine U.2-SSD beschreibt eine 2,5-Zoll-PCIe-SSD. Diese Geräte mit kleinem Formfaktor waren früher unter der Bezeichnung SFF-8639 bekannt. Die U.2-Schnittstelle ermöglicht es, NVMe-basierte PCIe-SSDs mit hoher Geschwindigkeit in die Backplane eines Computers einzufügen, ohne dass Server und Speicher heruntergefahren werden müssen.

Im folgenden Video wird die breite Palette der verfügbaren Formfaktoren für Festkörperspeicher sowie einige Vor- und Nachteile der einzelnen Formfaktoren erläutert.

Nichtflüchtige SSD-Speichertypen

NAND- und NOR unterscheiden sich durch die Art des verwendeten Logic Gate, wobei NAND-Bausteine einen seriellen Zugriff auf Daten mit acht Pins verwenden. NOR-Flash-Speicher wird häufig in Mobiltelefonen verwendet, und NOR-Bausteine unterstützen 1-Byte-Random-Access.

Abbildung 4: Verschiedene Memory-Typen im Überblick
Abbildung 4: Verschiedene Memory-Typen im Überblick

Im Vergleich zu NAND bietet NOR-Flash schnelle Lesezeiten, ist aber im Allgemeinen eine teurere Speichertechnologie. NOR schreibt Daten in großen Blöcken, was bedeutet, dass es länger dauert, bis NOR Daten löscht und neue Daten schreibt. Die Random-Access-Fähigkeiten von NOR werden für die Ausführung von Code genutzt, während NAND-Flash für die Speicherung vorgesehen ist. Die meisten Smartphones unterstützen beide Arten von Flash-Speichern, wobei NOR für das Hochfahren des Betriebssystems und austauschbare NAND-Karten zur Erweiterung der Speicherkapazität des Geräts verwendet werden.

Überlegungen beim SSD-Kauf

Die meisten All-Flash-Arrays sind als leeres Gehäuse oder voll bestückt erhältlich, so dass Kunden ihre bevorzugte SSD auswählen können, um die Kapazität zu erweitern oder die Konfiguration anzupassen. Mehrere allgemein akzeptierte Faktoren verdienen es, beim Kauf des am besten geeigneten SSDs berücksichtigt zu werden.

Data Protection und Error Correction Code (ECC). NAND-Flash enthält Werkzeuge zur Erkennung von Bitfehlern und zur Reparatur von umgekehrten Bits. Als Faustregel gilt, dass die Anforderungen an den ECC mit der Anzahl der Zellenebenen steigen.

Die Haltbarkeit. Jede SSD-Garantie deckt eine endliche Anzahl von Laufwerkszyklen ab, die durch den Typ des NAND-Flash bestimmt wird. Eine SSD, die nur zum Lesen verwendet wird, erfordert nicht die gleiche Lebensdauer wie eine SSD, die für die meisten Schreibvorgänge vorgesehen ist.

Formfaktor. Wie bereits erwähnt, bestimmt der Formfaktor, ob eine Austausch-SSD mit dem vorhandenen Speicher funktioniert, und hat Auswirkungen auf die Dichte - die Anzahl der SSDs, die in ein einzelnes Gehäuse passen - und ob Server offline genommen werden müssen, um die SSDs zu ersetzen.

Überlegungen zur Schnittstelle. SSDs kommunizieren mit einem Computerprozessor über ein elektrisches Signal. Die Schnittstelle bestimmt den maximalen Durchsatz und die minimalen Latenzschwellen sowie die Erweiterungsmöglichkeiten des SSDs. Die Hersteller qualifizieren ihre SSDs für NVMe, SAS und SATA, wobei die SATA-Schnittstelle in der Regel die Kostengünstigste ist. Die Herstellerqualifizierung soll Käufern helfen, Geräte hinsichtlich Kapazität, Ausdauer, Leistung, physischer Größe und Preis zu vergleichen.

Überwachungs- und Verwaltungs-Tools. NVME, SAS und SATA verwenden die Self-Monitoring, Analysis and Reporting-Technology (SMART) zur Durchführung von Gesundheitschecks, um eine stabile Leistung zu gewährleisten. Die SMART-Überwachung umfasst unter anderem automatische Warnmeldungen und Haltbarkeitsberichte sowie Firmware-Updates, Größenänderungen, SSD-Formatierung und Bereinigungsvorgänge.

Stromverbrauch. Die Laufwerksschnittstelle gibt auch die maximale Leistung einer SSD an, obwohl viele Unternehmens-SSDs so konstruiert sind, dass sie während des Betriebs abgestimmt werden können. Mit dieser Funktion können Benutzer die Leistung oder den Strom des Geräts auf intelligente Weise optimieren.

Redundante Energieversorgung. SSDs enthalten einen kleinen RAM-Cache als Schutz für transaktionale und andere unternehmenskritische Daten. Die Daten werden im RAM gespeichert und anschließend in einen kürzlich gelöschten Flash-Block auf der SSD geschrieben. Dadurch wird sichergestellt, dass keine Daten verloren gehen. Darüber hinaus enthalten Unternehmens-SSDs mehrere Onboard-Kondensatoren, um die SSD zu betreiben und sicherzustellen, dass die Schreibvorgänge aus dem RAM abgeschlossen werden.

Für Consumer-Produkte sind die Leistungsvorteile eines Austauschs einer SSD gegen eine HDD in einem Laptop wahrscheinlich nicht den Preisaufschlag wert, mit Ausnahme von Anwendungsfällen wie Hochfrequenzhandel oder umfangreichen PC-Spielen.

Das folgende Video skizziert einige der idealen Arbeitsbelastungen für SSD-Geräte.

SSD-Hersteller

Der SSD-Markt wird von einer Handvoll großer Hersteller beherrscht, darunter Intel, Kingston Technology, Micron, SK Hynix, Samsung, SanDisk, Seagate Technology, Viking Technology Kioxia (ehemals Toshiba Memory) und Western Digital Corp. Micron, Samsung und Seagate produzieren und verkaufen NAND-Flash-Chipsätze an Anbieter von Solid-State-Laufwerken und vermarkten auch Marken-SSDs, die auf ihren eigenen Flash-Chips basieren.

Die Speicherkapazität der frühesten SSDs war im Vergleich zu den älteren HDDs begrenzt. In jüngerer Zeit haben die SSD-Hersteller dieses Verhältnis durch neue und kapazitätsstarke Flash-Laufwerke verändert. Intel, Micron, Samsung und Western Digital bieten SSDs an, die auf 64-Schicht-NAND-Flash basieren.

Im Jahr 2018 führte der ehemalige Hersteller von All-Flash-Arrays, Nimbus Data, eine 100-TB-SSD ein. Der koreanische Flash-Hersteller SK Hynix hat die dichteste SSD behauptet - ein 72-Schicht-256 GB 3D-NAND-Gerät.

Unter den etablierten SSD-Herstellern befinden sich Samsung und Seagate in einem Duell, in dem es darum geht, wer den Wettbewerb um die SSD-Kapazität gewinnt. Die Samsung PM1643 SSDs von Samsung bieten 30 TByte Kapazität in einem 2,5-Zoll-Formfaktor. Seagate hat eine Vorschau auf eine 60-TB-SSD für Unternehmen vorgestellt.

SSD-Preisgestaltung

In der Vergangenheit waren die Preise für SSDs viel höher als die für herkömmliche Festplatten. Aufgrund von Verbesserungen in der Fertigungstechnologie und der erweiterten Chipkapazität sind die Preise für SSDs gesunken, so dass Verbraucher und Unternehmenskunden SSDs als praktikable Alternativen zu herkömmlichen Speichermedien neu bewerten konnten. Dieses Phänomen hat sich in den letzten Jahren mehrfach umgekehrt.

Der Marktpreis für SSDs wird durch das Moore'sche Gesetz ebenso beeinflusst wie durch Angebot und Nachfrage. Für die Entwicklung eines dichten 3D-NAND-SSDs sind im Vergleich zum 2D-NAND-Verfahren weitere Schritte erforderlich. Die Hersteller haben sich bemüht, die Erträge zu steigern, um die globale Nachfrage zu befriedigen, mit gemischten Ergebnissen in den letzten Jahren.

Zwischen 2015 und 2017 überstieg die weltweite Nachfrage nach Flash-Chips das Angebot. Infolgedessen mussten die SSD-Hersteller sich beeilen, um ihre Pipelines zu füllen. Die schwankende Nachfrage nach Flash-Chips hat die Preise für SSDs variabel gehalten, aber der Preis für eine SSD ist nach wie vor höher als der für eine HDD.

In einem Bericht von TrendForce, einem Forschungsunternehmen mit Sitz in Taipeh, Taiwan, vom Juni 2018 hieß es, dass die Vertragspreise aufgrund eines Überangebots an Flash-Chips zu sinken begannen. Der daraus resultierende Preisrückgang trug dazu bei, die Akzeptanz von SSDs, einschließlich PCIe-Laufwerken, zu erhöhen.

SSD im Vergleich zu HDD

Die Leistung von SSDs wird als viel schneller angesehen als die der leistungsstärksten elektromechanischen Laufwerke. Suchzeit und Latenzzeit werden ebenfalls erheblich reduziert, und die Anwender profitieren in der Regel von wesentlich schnelleren Startzeiten.

Ein Solid-State-Laufwerk verwendet Wear Leveling, um die Lebensdauer des Laufwerks zu erhöhen. Wear Leveling wird normalerweise vom Flash-Controller verwaltet, der einen Algorithmus verwendet, um die Daten so anzuordnen, dass die Schreib-/Löschzyklen gleichmäßig auf alle Blöcke im Gerät verteilt werden. Eine weitere Technik ist die Überbereitstellung (Overprovisioning) von SSDs, um die Auswirkungen der Garbage Collection-Schreibverstärkung zu minimieren. Dadurch wird der nutzbare Speicherplatz der SSD auf einen bestimmten Prozentsatz begrenzt.


Entdecken Sie die Unterschiede zwischen einer SSD und einer HDD
in diesem Video von StaplesTechTV.

Darüber hinaus haben SSDs eine festgelegte Lebenserwartung mit einer begrenzten Anzahl von Schreibzyklen, bevor die Leistung unregelmäßig wird. Dies ist an sich kein wirklicher Nachteil, da auch HDDs mit der Zeit verschleißen und schließlich ausfallen.

Die Leseleistung einer HDD kann leiden, wenn die Daten in verschiedene Sektoren auf der Platte aufgeteilt werden. Der Weg zur Reparatur der Platte ist mit einer Technik, die als Defragmentierung bekannt ist. SSDs speichern Daten nicht magnetisch, so dass die Leseleistung unabhängig vom Speicherort der Daten auf dem Laufwerk konstant bleibt. Aufgrund ihrer geringeren Latenzzeit sind SSDs so optimiert, dass sie eine Inline-Datenreduzierung mit minimalen Auswirkungen auf die Anwendungsleistung durchführen können.

SSD im Vergleich zu eMMC

Eine embedded MultiMediaCard (eMMC) stellt den Onboard-Flash-Speicher in einem Computer zur Verfügung. Eine eMMC wird direkt auf der Hauptplatine des Computers installiert. Die Architektur, die von der Industriegruppe JEDEC formalisiert wurde, umfasst NAND-Flash und einen Controller, der als integrierter Schaltkreis konzipiert ist.

Ein eMMC-Baustein hat weniger Logikgatter (Logic Gates) als eine SSD und liefert eine Leistung, die in etwa der einer SSD entspricht. Der Unterschied liegt in der Kapazität: ein standardmäßiger eMMC-Baustein reicht von 32 GB bis 128 GB und ist daher nicht in der Lage, einen größeren Speicherbedarf zu bewältigen.

Abbildung 5: Beispielbild einer eMMC.
Abbildung 5: Beispielbild einer eMMC.

In tragbaren Geräten dient ein eMMC als primärer Speicher oder als Ergänzung zu austauschbaren Secure Digital (SD)-Karten und microSD-Multimedia-Karten. Obwohl dies die historische Verwendung von eMMC-Geräten ist, werden sie zunehmend in Sensoren innerhalb angeschlossener Internet of Things (IoT)-Geräte eingesetzt.

Andere Arten von Flash-Karten für die Unterhaltungselektronik sind SD-Karten zur Verschlüsselung von Daten auf digitalen Geräten, austauschbare microSD-Karten für Mobiltelefone, SDHC-Karten (Secure Digital High Capacity) für hochauflösende Bilder und Videos, Speichersticks zur Übertragung von Fotos und Videodateien und Plug-and-Play-Universal-Serial-Bus-Karten, die in den USB-Steckplatz eines Computers eingesteckt werden.

SSD vs. Hybrid-Festplatte

Obwohl sie nicht so weit verbreitet sind wie ein Standard-SSD, können Hybrid-Festplatten (HHD) eine Alternative sein, die die Lücke zwischen Flash- und Festplatten-Magnetspeicher schließen. HHDs werden als eine Möglichkeit zur Aufrüstung von Laptops verwendet, sowohl hinsichtlich der Kapazität als auch der Leistung.

HHDs haben eine konventionelle Plattenarchitektur, die etwa 8 GB NAND-Flash als Puffer für plattenbasierte Arbeitslasten hinzufügen. Der HHD-Controller-Chip bestimmt, ob Daten auf der Platte oder dem SSD-Modul platziert werden.

Abbildung 6: Architektur einer hybriden Festplatte.
Abbildung 6: Architektur einer hybriden Festplatte.

Daher eignet sich ein HHD am besten für Computer mit einer begrenzten Anzahl von Anwendungen, zum Beispiel zur Beschleunigung der Boot-Zeiten. Der Preis für eine Hybrid-Festplatte ist etwas niedriger als der einer HDD. Eine SSD ist im Vergleich dazu aufgrund der Integration von teureren NAND-Chips wesentlich teurer.

Das Aufkommen von All-Flash-Speicher-Arrays

Nimbus Data, Pure Storage, Texas Memory Systems und Violin Memory gehörten zu den Start-Ups, die bei der Einführung von All-Flash-Arrays, die als Ersatz für die Festplatte auf Solid-State-Laufwerksspeicher zurückgreifen, Pionierarbeit leisteten. Der Erfolg von All-Flash-Startups veranlasste etablierte Anbieter dazu, nachgerüstete All-Flash-Versionen ihrer traditionellen plattenbasierten Arrays zu verkaufen. IBM gilt als der erste große Speicheranbieter, der eine dedizierte All-Flash-Array-Plattform namens FlashSystem auf den Markt gebracht hat, die auf der Technologie der Übernahme von Texas Memory Systems im Jahr 2012 basiert.

Ebenfalls im Jahr 2012 erwarb EMC XtremIO und liefert seit dem ein All-Flash-System aus, das auf der XtremIO-Technologie basiert. Weitere Dell EMC-All-Flash-Arrays umfassen das Flaggschiff PowerMax-System, Systeme der SC-Serie (ehemals Compellent) und der PS-Serie (ehemals EqualLogic).

Hewlett Packard Enterprise (HPE) vertreibt 3PAR-Arrays, die alle mit einem Flash-System ausgestattet sind, sowie Nimble Storage-All-Flash und Hybrid-SANs. Zu den NetApp All-Flash-Arrays gehören das Flaggschiff des Herstellers, die All-Flash Fabric-Attached Systems, sowie die 2015 erworbenen SolidFire-Arrays.

Dell EMC, HPE, Kaminario, Pure und SolidFire (jetzt Teil von NetApp) liefern All-Flash-Systeme aus, die SSDs mit nichtflüchtigen TLC-NAND-Laufwerken enthalten.

PCIe-SSDs und NVMe-Flash-Geräte

Solid-State-Flash-Laufwerke wurden traditionell für die Verwendung der SATA-Schnittstelle zur Verbindung von Speicher mit vernetzten Servern unter Verwendung von Host-HBAs und anderen Komponenten entwickelt. Eine neuere Version serverbasierter Flash-Speicher umfasst SSDs, die für die Installation in PCIe-Steckplätzen in Servern konzipiert sind. Jede PCIe-fähige SSD kommuniziert direkt mit einem Server-Mainboard über eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung, wodurch Ressourcenkonflikte im Wesentlichen vermieden und die Latenzzeiten reduziert werden.

SSD-Anbieter entwickeln auch PCIe-Geräte um das aufkommende NVMe-Protokoll herum, eine Reihe von Spezifikationen, die für den Betrieb auf Host-Controller-Ebene ausgelegt sind. NVMe-Spezifikationen zielen angeblich darauf ab, den Durchsatz von PCIe-Geräten durch die Rationalisierung des I/O-Stacks zu erhöhen und die mit SAS- und SATA-basierten SSDs verbundene Latenzzeit zu beseitigen.


Intel Senior Principal Engineer Amber Huffman
erklärt die NVMe-Technologie.

Anwendungen kommunizieren direkt mit einer NVMe-SSD über den PCIe-Bus. Die nächste erwartete Phase umfasst die Entwicklung eines Ökosystems zu NVMe OVER FABRICS (NVME-OF), das die Übertragung von Befehlen zwischen einem Host-Server und einem Solid-State-Speicher über Fibre Channel, InfiniBand und Ethernet ermöglicht.

SSD, PCIe oder DIMM-Flash: So wählen Sie die richtige Server-SSD

Bei der Auswahl einer Cache-Lösung müssen Sie das physische Flash-Gerät auswählen, das mit der Caching-Software genutzt werden soll. Schließlich ist es die Kombination aus Hardware und Software, die ein Angebot ausmacht. Es gibt heute drei grundlegende Möglichkeiten für serverseitiges Flash:

  • Solid-State-Laufwerke: SSDs sind der Weg des geringsten Widerstands, aber sie bieten die geringste Leistung. SSDs sind Flash-Geräte, die im Formfaktor eines traditionellen Festplattenlaufwerks geliefert werden. Sie werden über SATA oder SAS angeschlossen und ermöglichen einen sehr kostengünstigen ersten Schritt in die Solid-State-Welt. Für viele Umgebungen reicht die Leistungssteigerung durch eine SATA- oder SAS-SSD aus.
  • PCIe-basierter Flash: PCIe-basierter Flash ist der nächste Schritt in der Leistungssteigerung. Obwohl diese Geräte in der Regel einen größeren Durchsatz und mehr IOPS bieten, liegt ihr eigentlicher Reiz in der deutlich geringeren Latenzzeit. Es gibt auch noch andere Vorteile, einschließlich der Tatsache, dass sie keine Laufwerksschächte verbrauchen. Der Nachteil ist, dass die meisten dieser Angebote einen benutzerdefinierten Treiber erfordern und nur einen begrenzten integrierten Data Protection
  • Flash-DIMMs: Flash-DIMMs sind ein weiterer Schritt zur Reduzierung der Latenzzeit und gehen sogar noch weiter als PCIe-Flash-Karten, indem sie potenzielle PCIe-Bus-Konflikte ausschließen. Wie PCIe-Flash-Karten erfordern sie jedoch benutzerdefinierte Treiber und, einzigartig für Flash-DIMMS, spezifische Änderungen am Basis-I/O-System des Read-Only-Memorys auf der Hauptplatine.

Hybride DRAM-Flash-Speicher

Fortschritte bei der Herstellung von SSDs und andere Verbesserungen positionieren die Technologie so, dass sie eine größere Rolle bei nichtflüchtigen Speichern spielen wird. Es entstehen jedoch neue Memory-Konfigurationen, die Flash und Server-DRAM kombinieren. Diese hybriden Flash-Speichergeräte sind eine Antwort auf DRAM, die sich ihrer theoretischen Skalierungsgrenze nähert.

Eine andere Art der serverbasierten Speicherbereitstellung umfasst das Einfügen von Flash-Speicher in DIMM-Steckplätzen auf der Hauptplatine. Ein Flash-basiertes DIMM, das auch als In-Memory-Speicher bezeichnet wird, muss den PCIe-Controller nicht durchqueren oder mit anderen Karten konkurrieren, wodurch die Latenzzeit im Vergleich zu PCIe-Flash-Karten noch weiter gesenkt wird. Einst als führender Anbieter von Flash-DIMM-Karten angesehen, brachte Diablo Technologies seine ULLtraDIMM- und eXFlash-DIMM-Chips im Rahmen von OEM-Partnerschaften (Original Equipment Manufacturer) mit IBM und SanDisk auf den Markt. Da Diablo sein Geschäftsmodell nicht aufrechterhalten konnte, beantragte es 2017 Insolvenz.

Micron und Intel entwickelten gemeinsam dauerhafte Speicher - unter der Marke 3D XPoint -, die angeblich nahezu so schnell wie DRAM sind, aber preislich zwischen DRAM und NAND angesiedelt sind. Das erste kommerzielle Produkt, das auf 3D XPoint basiert, ist die Intel Optane-SSD-Familie.

Abbildung 7: Intels Optane-SSDs basieren auf 3D XPoint.
Abbildung 7: Intels Optane-SSDs basieren auf 3D XPoint.

Vor der Übernahme durch Western Digital kündigte SanDisk im Jahr 2015 eine Partnerschaft mit HPE zur Entwicklung von ReRam, auch bekannt als Resistive RAM, an. Die Anbieter bezeichneten ReRam als ähnlich wie 3D-NAND-Flash, aber billiger in der Herstellung als DRAM. Prototypen aus dem gemeinsamen Projekt sind jedoch noch nicht realisiert worden, und es gab Berichte, dass HPE das Projekt nach der Übernahme durch SanDisk auf Eis gelegt hat.

Ähnliche ReRam-Initiativen, an denen Fujitsu und Panasonic beteiligt sein sollen, sind angeblich im Gange, und Crossbar versucht, mit der ReRam-Technologie in einer Reihe von Branchen, einschließlich des aufkommenden Internet der Dinge, Fuß zu fassen.

Diese Definition wurde zuletzt im März 2020 aktualisiert

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