So funktionieren SSD-Speicher

© Elena Moiseeva, 123RF

Frische Chips

Solid State Drives werden von Tag zu Tag populärer. Die kleinen Performance-Wunder versprechen eine deutlich höhere I/O-Performance als herkömmliche Festplatten – und das bei niedrigerem Stromverbrauch. Wie SSDs funktionieren und wann sich deren Einsatz lohnt, verrät dieser Artikel.
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SSDs haben mit normalen Festplatten nur eine Gemeinsamkeit: Beide Medien speichern Daten. Intern arbeiten SSDs allerdings vollkommen anders als Festplatten. Während Festplatten die Daten auf mehreren Magnetscheiben speichern, nutzen SSDs mehrere Flash-Chips – meist bis zu zehn Stück – für die Datenspeicherung. Da bei SSDs keine mechanischen Teile wie bei Festplatten bewegt werden, sind vor allem zufällig verteilte Datenzugriffe deutlich schneller.

Festplatte im Vergleich

Um die Performance von SSDs mit Festplatten zu vergleichen, lohnt zuvor ein kurzer Blick auf den Aufbau herkömmlicher Festplatten. Diese speichern die Daten auf mehreren rotierenden Magnetscheiben. Die Daten werden dabei mit Schreib-/Leseköpfen auf die Scheiben geschrieben beziehungsweise von diesen gelesen.

Soll nun ein zufälliger Sektor von der Festplatte gelesen werden, muss die Festplatte den Schreib-/Lesekopf an die richtige Stelle bewegen (Seek Time) und dann darauf warten, dass der gewünschte Sektor auf der rotierenden Scheibe unter dem Schreib-/Lesekopf vorbeifährt (Latency Time). Die Latency Time beträgt dabei im Mittel die Dauer, welche für eine halbe Umdrehung notwendig ist. Die Summe aus Seek Time und Latency Time ergibt die Random Access Time (mittlere Zugriffzeit). Diese beträgt je nach Festplatte und deren Drehzahl zwischen fünf und 15 Millisekunden, was 200 respektive 66 IOPS (I/O-Operationen pro Sekunde) entspricht.

SSDs erreichen im Vergleich dazu mehrere tausend zufällig verteilte IOPS. Bei kontinuierlichen Datentransfers kann die Festplatte allerdings deutlich besser mithalten. Sie liefert dabei je nach Typ zwischen 60 und 150 MByte/s. SSDs können zwar zu Beginn über 250 MByte/s liefern. Mit höherem Füllstand der SSD sinkt diese Rate jedoch. Wie sehr die Datenrate zurückgeht, hängt dabei von den Algorithmen im SSD-Controller ab.

Aufbau

Die kleinste Einheit in einem Flash-Chip einer SSD ist die Speicherzelle. Je nach Typ speichert eine einzelne Speicherzelle ein oder mehrere Bits:

  • SLC (Single Level Cell) 1 Bit
  • MLC (Multi Level Cell) 2 Bits
  • TLC (Triple Level Cell) 3 Bits

Eine SLC unterscheidet zwei Ladungszustände, eine MLC vier und eine TLC acht. Die angelegte Spannung beim Schreiben auf eine Speicherzelle ist allerdings fix. Daher muss bei einer MLC für einen Schreibvorgang bis zu vier Mal Spannung angelegt werden, um in den höchsten Ladungszustand zu kommen. Bei einer SLC reichen maximal zwei solcher Vorgänge – die Schreibperformance ist damit höher. TLCs erfordern bis zu acht Mal Spannung und werden daher für SSDs nicht verwendet. Aufgrund ihrer hohen Datendichte und höheren Kapazität werden TLCs aber für USB-Sticks und SD-Karten genutzt. Dazu reicht ihre Performance aus.

Bei jedem Anlegen von Spannung kommt es zu einer kleinen Abnützung der Isolationsschicht der Speicherzelle. Da für einen einzelnen Schreibvorgang auf eine MLC öfter Spannung angelegt wird als bei einer SLC, verträgt die MLC weniger Schreibvorgänge (sogenannte Program/Erase Cycles oder p/e-Zyklen). MLCs haben meist eine Lebensdauer zwischen 10 000 und 30 000 p/e-Zyklen, SLCs rund 100 000 p/e-Zyklen.

Mehrere Speicherzellen bilden eine Page. Sie ist die kleinste Struktur, die vom SSD-Controller gelesen oder beschrieben werden kann. Allerdings kann der SSD-Controller den Inhalt einer bereits beschriebenen Page nicht löschen oder verändern. Eine Page ist in der Regel vier Kibibyte (KiB) groß (= 4096 Bytes). Mit MLCs entspricht das 16 384 Speicherzellen. Künftige Flash Chips mit einer Fertigungsstrukturbreite von 25 nm haben Pages mit acht KiB Größe.

Mehrere Pages sind in Blöcken zusammengefasst. Aktuell besteht ein solcher Block aus 128 Pages und fasst damit 512 KiB an Daten. Blöcke der künftigen 25nm-Fertigung nutzen 256 Pages à acht KiB, in Summe also 2 MiB. Ein Block ist die kleinste Einheit, die der SSD-Controller löschen kann, indem er eine Löschspannung am gesamten Block anlegt. Erst nach dem Löschen eines Blocks kann der SSD-Controller die einzelnen Pages wieder neu beschreiben.

1024 Blöcke bilden eine Plane. Vier Planes sind wiederum auf einem Die untergebracht, wie Abbildung 1 zeigt. Ein Die ist dabei etwa so groß wie ein Fingernagel (167 mm2). In der Produktion werden circa 200 bis 300 Dies aus einem Wafer gewonnen. Je nach gewünschter Kapazität landen ein bis acht Dies in einem Thin small-outline package (TSOP) – jene schwarzen Chips, wie sie auch auf Speichermodulen vorhanden sind. Eine SSD besteht schließlich aus bis zu zehn TSOPs und einem SSD-Controller.

Abbildung 1: Die eines Flash-Chips mit vier Planes. (Quelle: Intel)
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