Die Samsung SSD 840 EVO: Geschwindigkeit durch Cache und simulierten SLC-NAND

SSDs sind auf den ersten Blick einfach: Kleinere, schnellere Festplatten, die dazu keine beweglichen Teile haben. Fertig. Tatsächlich ist die Entwicklung derzeit extrem schnell und bei einem genaueren Blick sind die SSDs kleine Technikwunder, bei der neuen Samsung SSD 840 EVO hat Samsung dafür nochmal tiefer in die Trickkiste gegriffen.

Ich bin kein wirklicher Experte auf dem Gebiet, war aber letztes Jahr auf dem SSD Summit in Korea und was Chris hier von Neuerungen erzählt ist extrem interessant. Simulierter SLC-NAND, größerer Cache und am Ende günstiger Speicher mit hohen Geschwindigkeiten. Ich versuche es einmal einfach zu erklären: NAND-Speicher ist eigentlich extrem einfach aufgebaut. Mit verschiedenen Spannungen kann aus einem einfachen (winzigen) Stück Silizium ein Schalter ohne bewegliche Teile. Falls ihr gerade ein paar Minuten Zeit habt: Hier ein ausgezeichnetes (englisches) Video zur Erklärung.

Aus Silizium-Basis und nur mit dem Speicherzustand „an“ oder „aus“, also 1 oder 0, nennt man den NAND-Speicher SLC-NAND. Single-Level-Cell-NAND „erkennt“ nur ob eine bestimmte Spannung angelegt ist und leitet – oder lässt es eben sein. SLC-Speicher ist relativ teuer: Mit dem “Floating Gate” werden Elektronen nur durchgeleitet oder eben nicht. Jede Zelle kann nur ein Bit speichern und daher nehmen die Speicher mehr Platz weg, zudem müssen mehr Controller eingesetzt werden um die Zellen anzusprechen und auszulesen. Der große Vorteil ist jedoch die Geschwindigkeit und noch mehr die Haltbarkeit – die theoretischen Lebensdauern liegen hier teilweise bei mehreren hundertausend Schreibzyklen. Eingesetzt wird derartiger Speicher aber nur in einigen Server-SSDs, für den Privatanwender liegen die Kosten schlicht zu hoch.

Samsung setzte daher bis 2012 meistens auf MLC-Speicher (Multi-Level-Cell), dieser kann mit vier verschiedenen Spannungen zwei Bit an Informationen speichern. Der Vorteil liegt klar auf der Hand: Mehr Speicherplatz auf gleichem Raum, dazu müssen weniger Controller pro Bit eingesetzt werden. Der Nachteil: Das Auslesen dauert länger, die Schreibgeschwindigkeit ist auch niedriger und theoretisch kann sich das Silizium schneller abnutzen und irgendwann zu einem Ausfall führen. Die Hersteller – auch Samsung – setzten daher immer auf Software um solchen Ausfällen vorzubeugen und die SSDs gleichmäßig zu beschreiben, effektiv lag die Lebenszeit einer SSD damit theoretisch noch teilweise weit über 50 Jahren.

2012 hat Samsung dann mit der SSD 840 viele überrascht: Auf dem SSD Summit 2012 präsentierte man damit die erste massentaugliche SSD mit TLC-NAND. TLC ermöglicht mit acht Spannungsniveaus 3 Bit pro Zelle (daher auch 3-Bit MLC genannt). Die Vorteile sind wieder klar: Mehr Speicher auf wenig Raum und deutlich niedrigere Produktionskosten pro GB, allerdings nutzt der Speicher wieder theoretisch schneller ab und die Controller kommen irgendwann an ihre Grenzen, was die Möglichkeiten von kleineren Bauweisen angeht. Hauptproblem: Der Speicher wird auch langsamer, da das Auslesen länger dauert.

Bei der Samsung SSD 840 EVO greift man daher sehr tief in die Trickkiste, um eine hohe Geschwindigkeit und trotzdem günstigen Speicher zu erhalten. Eigentlich setzt die SSD 840 EVO wieder auf günstigeren TLC-Speicher und kann daher keine hohen (Schreib-)Geschwindigkeiten realisieren – Eigentlich. Samsung setzt zum einen auf einen größeren Cache, hier werden die Daten in einem nochmals deutlich schnelleren Speicher abgelegt (teilweise mit Maximalgeschwindigkeiten von über 1.500 MBit/s). Diesen hat man nun bei der SSD 840 EVO nochmals vergrößert. Das heißt im Klartext, dass mehr Daten in einem extrem schnellen Speicher „zwischengelagert“ werden können, um dann auf die SSD geschrieben zu werden. Bei dem Topmodell, der SSD 840 EVO mit 1 TB Speicher ist dieser Cache 1 GB groß – solche Dateigrößen sind schon relativ selten und der Cache bei mehreren parallelen Anwendungen daher selten ausgelastet. Die SSD kann also länger mit maximaler Geschwindigkeit Daten „aufnehmen“.

An dem Speicher der SSD hat sich bei der SSD 840 EVO jedoch auch etwas getan: Samsung setzt zwar auf TLC-NAND der mit der 19nm-Fertigungstechnik hergestellt wird (man spricht zwar von der 10nm-Klasse, tatsächlich ist die Größe der einzelnen Transistoren aber deutlich darüber), allerdings ist nicht jeder TLC-NAND für den MEX-Controller, der nun mit 400 MHz Taktung arbeitet (2012 waren es noch 300 MHz) eine Zelle die 3 Bit speichern kann. Samsung hat auf jedem Flash-Baustein einen Teilbereich als simulierten SLC-NAND ausgewiesen. In diesen Bereichen wird also nur das erste Bit „beschrieben“, da dies laut Samsung schneller geht. Ein Spannungsniveau für „Elektronen leiten“, eines für „nicht leiten“. Samsung nennt diesen Bereich der SSD „Turbowrite Buffer“, hier hat man deutlich höhere Schreibgeschwindigkeiten. Bei der SSD 840 EVO mit 120 GB und der mit 250 GB ist dieser Bereich 3GB groß. Daten werden erst in diesen Bereich geschrieben, wird die SSD dann weniger ausgelastet, wird in den langsameren normalen TLC-NAND umgelagert. Bei der SSD 840 EVO mit 500 und 1000 GB ist der Bereich noch größer, hier liegt man bei 6 GB „Turbowrite Buffer“. Erst darüber fällt dann die Schreibgeschwindigkeit ab.

In der Praxis dürfte das für normale Nutzer einen extremen Leistungszuwachs für eine eigentlich relativ zur Speichergröße günstigen SSD bedeuten. Die SSD 840 EVO mit 1000 GB kostet „nur“ 649 Dollar, das entspricht gerade einmal rund 65 Cent pro GB – man nähert sich hier den Preisen von günstigen HDDs an.