Solid-State-Drive – einfach erklärt

Grundprinzip, Bedeutung und Entwicklung

Ein Solid-State-Drive (SSD), auch Halbleiterlaufwerk oder Festkörperspeicher, ist ein nichtflüchtiger Computerspeicher, der heute überwiegend aus NAND-Flash-Speicherzellen besteht. Nichtflüchtig bedeutet, dass die Daten ohne Strom erhalten bleiben. Anders als eine herkömmliche Festplatte (HDD) besitzt eine SSD keine rotierenden Platten und keine beweglichen Schreib-Lese-Köpfe. Sie kann die üblichen Laufwerksanschlüsse und Bauformen verwenden, ist aber beispielsweise auch als gehäuselose M.2-Steckkarte erhältlich. Eine Kombination aus Festplatte und kleinerem Solid-State-Speicher heißt Hybridfestplatte, HHD oder SSHD.

SSDs sind wichtig, weil sie wesentlich kürzere Zugriffszeiten und hohe Datenübertragungsraten ermöglichen. Sie benötigen keine Anlaufzeit, arbeiten lautlos, verbrauchen meist weniger Strom, erzeugen weniger Abwärme und sind widerstandsfähiger gegen Stöße, Erschütterungen und Vibrationen. Außerdem lassen sie sich sehr kompakt bauen. Nachteile sind begrenzte Schreibzyklen der Flashzellen, mögliche Firmwarefehler und weiterhin höhere Kosten als bei Magnetfestplatten: Im Juli 2018 kostete ein Gigabyte SSD-Speicher noch ein Mehrfaches, Anfang 2023 kostete eine SSD ungefähr doppelt so viel wie eine HDD gleicher Kapazität.

Vorläufer entstanden in den 1950er Jahren. In den 1970er und 1980er Jahren wurden Halbleiterspeicher in Supercomputern eingesetzt, blieben wegen ihrer hohen Preise aber selten. Dataram bot 1976 bis zu 2 MB Solid-State-Speicher an; 1978 erschien ein 16-Kilobyte-RAM-Laufwerk von Texas Memory Systems, 1979 entwickelte StorageTek das erste RAM-Solid-State-Drive. Tragbare Geräte, Digitalkameras und Speicherkarten ließen die Kosten später stark sinken. SanDisk verkaufte 1991 eine 20-MB-SSD für 1000 US-Dollar. M-Systems stellte 1995 eine Flash-SSD vor, die keine Batterie für den Datenerhalt benötigte. Seit den 2000er Jahren stiegen Kapazität und Geschwindigkeit deutlich; als Höchstwert nennt der Artikel im Juli 2023 256 TB bei der Samsung PM1743.

Speicherarten, Aufbau und Leistung

SSDs verwenden hauptsächlich Flash-Speicher oder SDRAM. Flash ist stromunabhängig und energieeffizient; Hersteller versprechen ungefähr zehn Jahre Datenerhalt. SDRAM ist flüchtig, verliert seine Daten also ohne Strom, verbraucht pro Gigabyte mehr Energie und braucht deshalb gegebenenfalls eine Batterie oder eine Sicherung auf einem anderen Laufwerk. Dafür kann das Auffinden beliebiger Daten laut Artikel 700-mal schneller als bei einer Festplatte und 80-mal schneller als bei Flash erfolgen. SDRAM-SSDs werden vor allem für Server-Caches, temporäre Dateien und Journale eingesetzt und sind fast unbegrenzt wiederbeschreibbar.

Eine reine Flash-SSD besteht aus Flash- und Controllerchips auf einer Leiterplatte. Der Controller übersetzt logische Adressen in tatsächliche Speicherorte, verteilt Schreibvorgänge und verwaltet Reservebereiche. NAND-Speicher bietet einen guten Kompromiss aus Kapazität, Preis und Geschwindigkeit. SLC speichert ein Bit pro Zelle, MLC mehrere und TLC drei Bit. Mehr Bits erhöhen die Speicherdichte, verkleinern aber die Abstände der elektrischen Spannungspegel und verringern dadurch tendenziell Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Genannte Richtwerte reichen von etwa 1.000 Schreibvorgängen je QLC- oder 21-nm-TLC-Zelle über 3.000 bei 25-nm-MLC und 100.000 bei 50-nm-SLC bis zu 5 Millionen bei ausgewählten SLC-Chips.

Flash wird seiten- und blockweise organisiert. Obwohl nur wenige Byte geändert werden, muss unter Umständen ein ganzer Block neu geschrieben werden. Diese Vervielfachung der tatsächlich geschriebenen Daten heißt Write Amplification. Controller, Firmware, Parallelisierung über mehrere Kanäle und SDRAM- oder SRAM-Zwischenspeicher vermindern die Folgen. Eine Spare Area, also ein nicht als normale Kapazität verfügbarer Reservebereich, unterstützt Leistung, Verschleißausgleich und den Ersatz defekter Blöcke. Bei wenig freiem Speicher sinkt die Leistung, weil freie Bereiche schwerer zu finden sind.

Im Vergleich mit dem Stand 2020 nennt der Artikel für TLC-NAND bis zu 3400 MB/s beim Lesen, 2500 MB/s beim Schreiben und Zugriffszeiten ab 0,027 beziehungsweise 0,021 ms. Eine Festplatte erreicht demnach bis etwa 227 MB/s lesend, 160 MB/s schreibend und Zugriffszeiten ab 3,5 ms. RAM ist noch erheblich schneller, verliert ohne Sicherung aber bei Stromausfall seine Daten.

Einsatzgebiete, Bauformen und Hybridlösungen

Flash-SSDs eignen sich besonders für Notebooks, mobile Geräte, leistungsorientierte Desktopcomputer und bestimmte Server. Ihre Stoßfestigkeit, hohe Temperaturtoleranz, geringe Latenz und kompakte Bauweise sind auch für eingebettete Systeme, Raumfahrt und andere Umgebungen mit Schmutz, Erschütterungen, Druckschwankungen, Temperaturänderungen oder Magnetfeldern wichtig. SDRAM-SSDs werden eher stationär in besonders zugriffsintensiven Anwendungen wie Datenbanken und Sortieraufgaben verwendet. Für die Langzeitarchivierung und Datensicherung sind SSDs ungeeignet, weil sie nach einigen Jahren ohne Strom Daten verlieren können.

Gängige Ausführungen verwenden unter anderem SATA, mSATA, PCIe oder M.2. Das verbreitete M.2-Format 2280 ist 22 mm breit und 80 mm lang. Hersteller unterscheiden ihre SSDs vor allem durch Geschwindigkeit, Kapazität, Zuverlässigkeit, Preis, Energiebedarf, Größe, Gewicht und Zusatzfunktionen wie Verschlüsselung. Wie bei Festplatten wird die Kapazität häufig mit SI- statt Binärpräfixen angegeben.

Eine Hybridfestplatte verbindet eine große Magnetfestplatte mit einem kleineren Flash- oder SDRAM-Speicher. Häufig genutzte Daten werden im schnellen Bereich zwischengespeichert; weniger häufig verwendete Dateien bleiben auf der Festplatte. Dadurch können Programm- und Systemstarts beschleunigt sowie Stromverbrauch und Geräusch verringert werden. Ältere Varianten benötigten Unterstützung durch das Betriebssystem, neuere SSHDs verwalten den Flash-Cache selbst und funktionieren unabhängig vom Betriebssystem. Flash eignet sich vor allem als Lesecache, weil Schreiben langsamer sein kann. Laut Artikel beschleunigten frühe HHDs den Windows-Start, das Herunterfahren und häufig verwendete Programme um ungefähr 20 Prozent. Intel Turbo Memory zeigte dagegen außerhalb spezieller Benchmarks keine entsprechenden Geschwindigkeitsvorteile.

2014 bot Seagate Consumer-SSHDs mit 500 bis 1000 GB im 2,5-Zoll-Format und 1 bis 4 TB im 3,5-Zoll-Format an; jeweils dienten 8 GB MLC-Flash als Lesecache. Toshiba verwendete ebenfalls 8 GB. Intels Smart Response Technology konnte seit 2011 eine separate SATA-SSD als Lese- und Schreibcache einsetzen. Mit fallenden SSD-Preisen verloren solche Zusatzlösungen jedoch an Bedeutung.

Verschleiß, Haltbarkeit und Überwachung

Die Lebensdauer wird meist als DWPD beziehungsweise n DW/D oder als TBW angegeben. DWPD bezeichnet die Zahl vollständiger Laufwerksüberschreibungen pro Tag über einen festgelegten Zeitraum. TBW bedeutet die insgesamt zulässige geschriebene Datenmenge in Terabyte. Eine Samsung 970 EVO M.2 mit 1 TB aus dem Jahr 2018 ist beispielsweise mit 600 TBW oder fünf Jahren angegeben, je nachdem, welcher Fall zuerst eintritt.

Lesevorgänge aus intakten Flashzellen sind unbegrenzt möglich, Schreib- und Löschvorgänge verschleißen die Zellen jedoch elektrisch. Wear Levelling, also Verschleißausgleich, verteilt Schreibvorgänge möglichst gleichmäßig. Beim Dynamic Wear Levelling wird unter den freien Bereichen der am wenigsten abgenutzte ausgewählt; gegenüber einem Laufwerk ohne Ausgleich erhöht sich die Zahl möglicher Schreibzyklen laut Artikel um den Faktor 25. Static Wear Levelling verschiebt zusätzlich selten geänderte Daten, um auch belegte, wenig abgenutzte Zellen einzubeziehen; der Faktor beträgt hier 100. Scheitert ein Schreibvorgang, markiert der Controller den Block als defekt und aktiviert einen Reserveblock.

S.M.A.R.T. dient der Selbstüberwachung. SSDs kontrollieren insbesondere Löschzyklen und verfügbare Reserveblöcke. Werden Grenzwerte überschritten, kann das Laufwerk in einen Nur-Lese-Modus wechseln. Die Bedeutung und Skalierung der S.M.A.R.T.-Werte sind allerdings nicht einheitlich festgelegt. Unnötige Schreibvorgänge lassen sich außerdem durch Native Command Queuing und teilweise durch Datenkompression vermeiden. Unterschiede in der Qualität des NAND-Speichers bleiben ein Problem: Der Artikel nennt NAND der Klassen 1 und 2 sowie außerhalb der Spezifikation liegende Chips. 3D-V-NAND und andere Fertigungstechniken sollen die Nachteile dichter belegter Zellen verringern.

Leistungserhalt und richtige Einrichtung

Gelöschte Dateien werden vom Dateisystem zunächst nur aus seinem Verzeichnis entfernt. Bei Flash muss ein belegter Bereich jedoch gelöscht werden, bevor er neu beschrieben werden kann. Nach längerer Nutzung kann dies kurze, verteilte Schreibvorgänge bis auf die doppelte Dauer verlängern. Seit Mitte 2009 bereiten Garbage Collection in der SSD-Firmware und der TRIM-Befehl des Betriebssystems freigegebene Bereiche vor. TRIM informiert das Laufwerk, welche Daten nicht mehr benötigt werden; dies verringert Write Amplification und schont die Zellen. Voraussetzung ist die Unterstützung durch Betriebssystem, Laufwerk und gegebenenfalls RAID- oder Bridge-Controller. Bei fast vollständig gefüllten Laufwerken helfen diese Verfahren nur eingeschränkt, weil kaum freie Bereiche vorhanden sind.

Eine Defragmentierung ist für SSDs unnötig. Anders als bei einer HDD muss kein mechanischer Kopf zu verstreuten Daten bewegt werden, und allein der Controller bestimmt die physische Platzierung. Defragmentieren verursacht zusätzliche Schreibvorgänge und kann die Lebensdauer verkürzen. Gängige Betriebssysteme wie Windows ab Version 7 erkennen SSDs gewöhnlich und deaktivieren HDD-spezifische Funktionen automatisch. Nach dem Kopieren einer alten Windows-Installation sollten Defragmentierung, Prefetch und gegebenenfalls SuperFetch kontrolliert werden. Prefetch bringt wegen der kurzen SSD-Zugriffszeiten kaum Vorteile, erzeugt aber zusätzliche Schreibzugriffe; SuperFetch ist laut Artikel nicht schädlich, bietet gegenüber einer SSD jedoch kaum einen spürbaren Nutzen.

Für gute Schreibleistung ist die Ausrichtung der Daten wichtig. Eine Speicherseite ist die kleinste beschreibbare Flash-Einheit, ein Cluster die kleinste Zuordnungseinheit des Dateisystems. Beginnt eine Partition ungünstig innerhalb eines löschbaren Blocks, kann ein Cluster zwei Blöcke überlappen, sodass beide neu geschrieben werden müssen. Der Leistungsverlust bei zufälligem Schreiben reicht je nach Produkt von kaum messbar bis zu einer Drittelung. Windows Vista und 7 richten Partitionen an 1 Mebibyte aus; dieser Wert ist durch die aktuellen Blockgrößen teilbar. Ältere Windows-Versionen begannen Partitionen ohne manuelles Eingreifen bei 31,5 Kibibyte und damit häufig falsch. Sequenzielles Schreiben und Lesen sind vom Alignment nicht betroffen.

Die Auslagerungsdatei passt gut zu schnellen SSDs: Eine Untersuchung während der Entwicklung von Windows 7 fand vierzigmal mehr Lese- als Schreibzugriffe. Rund zwei Drittel der Lesezugriffe waren höchstens 4 KB groß, während etwa zwei Drittel der Schreibzugriffe mindestens 128 KB umfassten. Das entspricht den Stärken von Flash: kurzes, verteiltes Lesen und längeres, zusammenhängendes Schreiben.

Datensicherheit und Löschen

Gewöhnliches Löschen entfernt nur den Dateisystemeintrag; selbst mehrfaches Überschreiben garantiert bei SSDs nicht, dass die ursprünglichen Speicherzellen überschrieben werden. Wear Levelling ordnet logische Sektoren immer wieder anderen physischen Blöcken zu. Die neuen Daten können daher an anderer Stelle landen, während alte Inhalte in nicht direkt erreichbaren Bereichen bestehen bleiben. Das erschwert zugleich die Rekonstruktion, weil dafür eine besondere Firmware und die Zuordnung der Blöcke nötig wären; dennoch warnen Kryptographieanbieter, weil beispielsweise Schlüsselreste auffindbar sein könnten.

Ein vom Controller unterstütztes Secure Erase kann die SSD in den Auslieferungszustand zurückversetzen und auch Reserveblöcke überschreiben. Früh waren entsprechende vollständige Verfahren vor allem bei teuren Laufwerken verfügbar; moderne Laufwerke bieten häufig eine sichere Löschfunktion. Normale Programme können die Spare Area nicht direkt ansprechen. Am Ende der Lebensdauer können Teile einer SSD nicht mehr beschreibbar und damit auch nicht vollständig löschbar sein. Für die endgültige Vernichtung der darin verbliebenen Daten bleibt dann nur die physische Zerstörung.