SSD
Was ist eine SSD?
Synonym: Solid-State-Drive, Solid-State-Disk oder Halbleiterlaufwerk
Eine SSD ist ein nicht-flüchtiger Datenspeicher ähnlich einer Festplatte. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Festplatte (HDD) hat eine SSD aber keine beweglichen Teile. Die Daten werden stattdessen in Flash-Bausteinen gespeichert.
Geschichte der SSD
Die Geschichte der SSD reicht weit in die 1970er Jahre zurück. Damals interessierten sich aufgrund des hohen Preises (1 GB ≈ 1 Million Dollar) hauptsächlich das Militär und Forschungslabore für diese Festplattentechnik. In den späten 1970ern brachte die Firma General Instruments3 einen ersten Flash ähnlichen Speicher auf den Markt. Mit einer Zugriffszeit von zwei Mikrosekunden war dieser Speicher nur viermal langsamer als heute immer noch verwendete MOS-Speicher. 1985 wurde die erste SSD in einem IBM 4 -PC verbaut und Ende der 1980er kamen die ersten Speicherkarten auf den Markt. Zwanzigmal schnellere Zugriffszeiten der SSD gegenüber der normalen magnetischen Festplatte ermöglichten den Einzug in die Servertechnologie. Immer mehr Firmen stiegen in den 1990ern in das SSD-Geschäft ein und trieben die Entwicklung für den Endkundenmarkt stetig voran. So kostete 2001 eine 3,5” Flash-Speicher-SSD mit 14 GB „nur noch“ 42.000 Dollar. Mitte der 2000er zog die SSD in die Notebooks ein und mit der Marktreife 2007 kann dieses Jahr als das „SSD-Jahr“ bezeichnet werden.
SSD Aufbau
Eine SSD besteht aus einem Controllerchip, mehreren Flash-Bausteinen (zumeist zehn Stück) und teilweise über einen DRAM Puffer (Cache). Der Controller kann diese Flash-Bausteine parallel ansprechen und somit den Datendurchsatz im Vergleich zu einem USB-Stick (der nur einen Flash-Baustein enthält) vervielfachen.
Eigenschaften der SSD
- Voraussichtliche Ablösung der herkömmlichen Festplatte (HDD)
- Keine mechanisch beweglichen Komponenten
- Sehr geringe Hitzeentwicklung
- Geringer Energieverbrauch
- Keine Geräuschentwicklung
- Kann sehr kompakt gebaut werden
Leistung im Vergleich zur HDD
Quelle:
https://de.wikipedia.org/wiki/Solid-State-Drive
http://www.sandisk.de/products/ssd/sata/
http://www.valueblog.de/wp-content/uploads/2012/05/hdvsssd.jpg
https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/Solid-State_Drive
https://wr.informatik.uni-hamburg.de/_media/teaching/wintersemester_2010_2011/sds-1011-schefer-ssds-ausarbeitung.pdf
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2 Was ist eine „SSD“ Festplatte? 2.1 Geschichtliche Entwicklung Die Geschichte der SSD reicht weit in die 1970er Jahre zurück. Damals interessierten sich aufgrund des hohen Preises (1 GB ≈ 1 Million Dollar) hauptsächlich das Militär und Forschungslabore für diese Festplattentechnik. In den späten 1970ern brachte die Firma General Instruments3 einen ersten Flash ähnlichen Speicher auf den Markt. Mit einer Zugriffszeit von zwei Mikrosekunden war dieser Speicher nur viermal langsamer als heute immer noch verwendete MOS-Speicher. 1985 wurde die erste SSD in einem IBM 4 -PC verbaut und Ende der 1980er kamen die ersten Speicherkarten auf den Markt. Zwanzigmal schnellere Zugriffszeiten der SSD gegenüber der normalen magnetischen Festplatte ermöglichten den Einzug in die Servertechnologie. Immer mehr Firmen stiegen in den 1990ern in das SSD-Geschäft ein und trieben die Entwicklung für den Endkundenmarkt stetig voran. So kostete 2001 eine 3,5” Flash-Speicher-SSD mit 14 GB „nur noch“ 42.000 Dollar. Mitte der 2000er zog die SSD in die Notebooks ein und mit der Marktreife 2007 kann dieses Jahr als das „SSD-Jahr“ bezeichnet werden. Bis heute fallen die Preise für SSD’s ständig und die Ablösung der alten mechanischen Festplatte steht bevor. Jedoch stagniert die Verbreitung der SSD, da einige Firmen ihre Marktposition in Gefahr sehen. So konnten große Hersteller von Endgeräten (PC, Notebook) mit ihren alten Produkten bessere Werbung betreiben und sich damit einen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Der Marktvorteil von leisen, kaum hitzentwickelnden und schnellen Festplatten in den Endgeräten ist mit der SSD nicht mehr gegeben. Softwarebeigaben, einen schnellen und leistungsstarken Festplattencontroller sowie andere Unterscheidungsmerkmale (z.B. Schmutzschutz beim USBStick) sind heute die Argumente, die über einen Kauf entscheiden sollen. Die SSD wird aber nicht schlagartig die alte Technolgie ablösen. Vielmehr ist gegenwärtig eine Kombination der beiden Techniken sinnvoll, die sogenannte Hybrid-Festplatte (HHD). Diese HHD weist als Hauptspeichermedium ein normales Medium zur magnetischen Speicherung und einen zusätzlichen Flash-Speicher auf. Daten, die öfter benutzt werden, können in diesem FlashSpeicher gespeichert werden. Auch eine Userbstimmung, in der geregelt ist, welche Daten in dem Flash-Speicher abgelegt werden sollen, ist durchaus realisierbar. Ein Hauptmerkmal der reinen SSD ist der geringere Energieverbrauch, der die SSD als zukünftiges Hauptspeichermedium auszeichnen könnte. 3General Instruments war einer der grö¨sten Halbleiterhersteller der USA. 4 International Busieness Machines Corporation, US-amerikanische IT-Firma 5 2.2 Eigenschaften und Performance Die SSD ist ein Festkörperlaufwerk. Was ein Festkörper ist, wird in Kapitel 2 kurz erläutert. Dass die SSD ein Festkörper ist, macht sie nun nicht exotisch, da auch die „normalen“ Festplatten aus Festkörpern bestehen. Interessanter ist vielmehr die Datenspeicherung der SSD. Bei „normalen“ Festplatten werden die interpretierbaren Information (0 und 1) als magnetische Zustände gespeichert, während die SSD die Information elektrisch gespeichert (Ladungsspeicherung). Elektrisch bedeutet in diesem Fall, dass es Speicherzellen in der SSD gibt, die geladen (Zustand 1) bzw. ungeladen (Zustand 0) sind. Diese Zustände können ohne eine mechanische Bewegung ausgelesen und gesetzt werden. In den meisten SSD’s kommen Flash-Speicher als Informationsspeicher zum Einsatz. Solche Flash-Speicher sind nicht-flüchtige Speicher. Das Prinzip der Ladungsspeicherung ist schon vom Kondensator bekannt. Ein Kondensator verliert über die Zeit seine elektrische Ladung. Er wird daher als flüchtiger Speicher bezeichnet. Wie das Lesen, Schreiben und Löschen auf einem Flash-Speicher realisiert ist, wird in Kapitel 3 erläutert. Die bewegungsfreie Methode ist ein gro¨ser Vorteil gegenüber einer HDD. So entfallen die Hitzeentwicklung durch Reibung, Laufgeräusche von Lüftungssystemen und die Vibrationsanfälligkeit des Laufwerkes. Die aber wohl wichtigsten Vorteile einer SSD gegenüber einer HDD sind die kürzeren Zugriffszeiten und der geringere Energieverbrauch. In Tabelle 15 werden die wichtigsten Merkmale einer SDD und einer HDD gegenübergestellt. Die Unterschiede in den Lesegeschwindigkeiten und der benötigten Energie sind deutlich erkennbar. Ein weiteres Merkmal sticht bei der SSD stark heraus - es gibt eine maximale Anzahl an Schreibzyklen, was ein gravierender Nachteil gegenüber der HDD ist. Die Ursache, dass es ein Maximum gibt, liegt an der Elektronenbewegung und wid im Kapitel 3 nochmals aufgegriffen.
Synonym: Solid-State-Drive, Solid-State-Disk, Halbleiterlaufwerk
Kapazität: Bis zu 16 TB
Erklärung:
SSDs sind energieeffiziente Hochgeschwindigkeits-Datenspeicherlösungen, mit denen sich sowohl bei Verbraucher- als auch bei Unternehmensanwendungen deutliche Leistungsverbesserungen erzielen lassen. SSDs zeichnen sich durch eine fortschrittliche Architektur und enorme Datengeschwindigkeiten aus und lassen herkömmliche Festplatten (HDDs) in jeder Leistungskategorie (ca. 7200 U/min)Im Vergleich zu 7200 U/min SATA 2,5“. Basierend auf veröffentlichten technischen Daten und internen Benchmark-Tests. weit hinter sich. SSDs verzichten außerdem auf bewegliche Komponenten, sind leiser, laufen kühler und verbrauchen weniger Strom als HDDs und tragen so zur Entlastung der Systemressourcen bei.
Verfahren[Bearbeiten]
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 zehn Jahre versprochen.
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. Das Auffinden beliebiger Daten geht 700-mal schneller als bei einer Festplatte. Gegenüber der Flash-Technik sind sie 80-mal so schnell. Ein zweiter Vorteil ist die festplattenähnliche, fast unbegrenzte Wiederbeschreibbarkeit; Flash-Chips sind hier auf 100.000 bis 5 Millionen Schreibzyklen begrenzt. Diese Beschränkung gilt für einzelne Flashzellen. Eine solche kann bei Verschleiß oft mittels S.M.A.R.T. automatisch gegen eine Reservezelle 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 eine Sicherheitskopie zu haben. An dieser Stelle schließt sich der Kreis, denn umgekehrt enthalten konventionelle Festplatten immer mehr SDRAM- und neuerdings Flashchips als Zwischenspeicher (sog. „Cache“).
Begriffsklärung[Bearbeiten]
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. Der Begriff „solid state“ ist deshalb kein Synonym des Begriffes Festspeicher (oder nichtflüchtiger Speicher), der alle konventionellen Disketten, CD-ROMs und Festplatten als auch ROMs und SSDs umfasst.
Ein Solid-State-Drive bzw. eine Solid-State-Disk (kurz SSD), seltener auch Halbleiterlaufwerk[2] genannt, ist ein nichtflüchtiges elektronisches Speichermedium der Computertechnik. 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“ (englisch 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 Firmware-Updates nachgebessert wird.[3][4][5]
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 OWChat 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.[6] 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 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, wodurch 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 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 bei gleicher Leistung schnell entsprechend dem Mooreschen Gesetz. Dies führte dazu, dass um die Jahrtausendwende erstmals SSDs für spezielle Anwendungen wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt werden konnten.
Im September 2015 lagen die Preise (in Euro pro Gigabyte) für eine SSD bei ungefähr dem Zehnfachen des Preises eines herkömmlichen Magnetspeicher-Laufwerks (0,31 €/GB für eine 250 GB große SSDgegenüber 0,032 €/GB für eine 2.000-GB-Magnetfestplatte).[7][8]
Wird eine 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 disk, SSHD[9]).
SSDs im Endkundenmarkt[Bearbeiten]
mSATA SSD mit externem Festplattengehäuse
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 Merkmalen (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 konventionelle Festplatten 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.
Geschichte und Entwicklung[Bearbeiten]
Frühe SSDs[Bearbeiten]
Solid-State-Drives haben ihren Ursprung in den 1950er Jahren mit zwei ähnlichen Technologien: Dem Magnetkernspeicher und dem Charged Capacitor Read-Only Storage (CCROS), einer frühen Form desFestwertspeichers.[10][11] Diese unterstützenden Speicherformen tauchten in der Ära der Elektronenröhren-Computer auf, durch das Aufkommen von günstigeren Trommelspeichern wurden sie aber dann wieder aufgegeben.[12]
In den 1970er und 1980er Jahren wurden SSDs in Halbleiterspeichern der frühen Supercomputer von IBM, Amdahl und Cray implementiert, wurden aber aufgrund des unerschwinglich hohen Preises selten verwendet.[13] In den späten 70er Jahren brachte General Instruments das Electrically Alterable ROM (EAROM, eine weitere Form des Festwertspeichers) auf den Markt, welcher mit der späteren NAND-Flash-Technologie große Ähnlichkeiten aufwies. Da die Lebensdauer dieser Speicher allerdings unter 10 Jahren lag, wurde die Technologie von vielen Unternehmen wieder aufgegeben.[14] 1976 starteteDataram den Verkauf eines Produkts namens Bulk Core, welches bis zu 2 MB Solid-State-Speicher kompatibel mit Digital Equipment Corporation- (DEC) und Data General-Computern (DG) lieferte.[15] 1978 führte Texas Memory Systems ein 16 Kilobyte RAM Solid-State-Drive ein, welches von Öl-Förder-Unternehmen zur Aufzeichnung seismischer Daten verwendet werden sollte.[16] Im darauffolgenden Jahr entwickelte StorageTek das erste RAM Solid-State-Drive.[17]
Der im Jahre 1983 eingeführte Sharp PC-5000 verwendete 128-Kilobyte Solid-State-Kassetten, die mit Magnetblasenspeicher arbeiteten.[18] 1984 wurde von der Tallgrass Technologies Corporation eine 40 MB Backup-Einheit mit einem integrierten 20 MB SSD vorgestellt, welche alternativ auch als Laufwerk verwendet werden konnte. Im September 1986 wurde von Santa Clara Systems die BatRam vorgestellt, ein 4 MB großes Massenspeichersystem, das auf bis zu 20 MB expandiert werden konnte. Das System inkludierte wiederaufladbare Batterien um dem Chip auch Energie zuführen zu können, wenn der Stromfluss abbrach.[19] 1987 verbaute die EMC Corporation erstmals SSDs in Mini-Computern, brach diese Entwicklung ab 1993 aber wieder ab.[20][21]
Flash-basierte SSDs[Bearbeiten]
1983 wurde der Psion MC 400 Mobile Computer mit 4 Steckplätzen für Wechselspeicher in Form von Flash-basierten Solid-State-Disks ausgeliefert. Diese Steckplätze waren vom selben Typ, welche bei der Psion Series 3 für Flash-Memory-Cards verwendet wurden.[22] Diese Module kamen mit dem großen Nachteil, dass sie jedes Mal formatiert werden mussten um Speicher von gelöschten oder modifizierten Dateien freigeben zu können. Alte Versionen von Dateien, welche gelöscht oder bearbeitet wurden nahmen weiterhin Speicherplatz in Anspruch, bis das Modul formatiert wurde.
1991 brachte SanDisk ein 20 MB Solid-State-Drive auf den Markt, das für 1.000 US-Dollar verkauft wurde. 1995 stellte M-Systems erstmals ein Flash-basiertes Solid-State-Drive vor, welches keine Batterien benötigte um die Daten zu erhalten, allerdings nicht so schnell war wie DRAM-basierte Lösungen.[23][24] Von diesem Zeitpunkt an wurden SSDs erfolgreich als HDD-Ersatz von Militär-, sowie Luft- und Raumfahrtorganisationen eingesetzt.[25]
1999 wurden von BiTMICRO einige Produkte im Bereich der Flash-basierten SSDs vorgestellt, unter anderem ein 18 GB 3,5-Zoll SSD.[26] 2007 wurde von Fusion-io ein PCIe-basiertes SSD mit einer Performance von 100.000 IOPS in einer einzigen Karte, mit einer Kapazität von bis zu 320 GB vorgestellt.[27] 2009 wurde auf der Cebit ein Flash-SSD von OCZ Technology vorgestellt, welches bei einer Kapazität von einem Terabyte (unter der Verwendung eines PCIe x8 Interfaces) eine maximale Schreibgeschwindigkeit von 654 MB/s und eine maximale Lesegeschwindigkeit von 712 MB/s aufwies.[28] Im Dezember des gleichen Jahres kündigte Micron Technology ein SSD an, welches eine 6 Gigabit SATA-Interface verwenden würde.[29]
Enterprise Flash-Speicher[Bearbeiten]
Enterprise Flash-Speicher (Enterprise flash drives, EFDs) wurden für Applikationen entworfen, welche eine hohe IOPS-Performance benötigen, sowie zuverlässig und effizient arbeiten müssen. In den meisten Fällen ist ein EFD ein SSD mit einem umfangreicheren Satz von Spezifikationen, verglichen mit einem SSD, das typischerweise in einem Notebook zum Einsatz kommt. Der Begriff wurde von EMC erstmals im Januar 2008 verwendet um SSD-Hersteller zu identifizieren, welche Produkte mit diesen höheren Standards zur Verfügung stellten.[30] Es gibt allerdings keine Standards oder Regeln, welche EFDs undSSDs voneinander unterscheiden, weshalb im Prinzip jeder Hersteller angeben kann EFDs zu produzieren.[31]
2012 führte Intel die SSD DC S3700 ein, eine EFD welche darauf ausgerichtet ist gleichbleibende Performance zu liefern. Diesem Feld wurde bisher nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt.[32]
