Wie funktionieren eigentlich SSDs? Ein Erklärbär mit Samsung [Werbung]

Was sind eigentlich SSDs und warum werden sie ein immer größeres Thema? Welche Vorteile habe ich mit einer solchen Speicherlösung und könnte sie meine HDD ersetzen? Wie funktioniert eine SSD eigentlich und auf was muss ich beim Kauf achten? In einem etwas größerem Erklärbär möchten wir euch etwas Grundwissen rund um das Thema SSDs vermitteln – dazu gibt es auch ein Interview mit einem Experten.

SSDs – ein Thema das man sich nie hätte so groß vorstellen können. In den letzten Jahren haben die Technologien in diesem Bereich riesige Sprünge gemacht, sowohl technisch als auch finanziell. Anfangs wurden die leichten Festplatten noch als teurer Spaß für Computer Geeks abgetan, doch mittlerweile stellen sie ernste Konkurrenz für HDDs dar. Ach was rede ich da. SSDs sind je nach Sektor schon unverzichtbar, besonders wenn es darum geht flache Laptops zu bauen, aber auch in normalen PCs sind sie aufgrund der Geschwindigkeit kaum wegzudenken.

HDDs

Hier ein Vergleich zwischen SSD (links) und HDD (rechts). Jeweils die obere Seite.

Fangen wir aber erst mal bei den HDDs an. Ausgesprochen heißt es „Hard Disk Drive“. Es hat also was mit einer Disk zu tun, der erste Grund warum die Reduzierung der Baugröße limitiert ist. Der grobe Aufbau einer HDD sieht wie folgt aus: Eine oder mehrere Disks (aus Metall, magnetisch), entsprechend viele Lese-/Schreibköpfe und minimale ‚Motoren‘ die die Elemente bewegen können. Die Scheibe/n sind stetig am rotieren und ermöglichen durch die hin und her zuppelnden Köpfe ein schnelles Ablesen und Beschreiben der Disks. Beschrieben werden die Disks indem der Kopf die freien Speicherflächen minimal magnetisch auflädt und so wiederauffindbar macht. Das heißt im Umkehrschluss, dass der Lesekopf erst immer wieder an der passenden Stelle über der Disk schweben muss um auch diese Datei lesen zu können.

Die Faustregel ist also, dass, je schneller sich die Disk dreht, desto schneller können Lese- und Schreibvorgänge erledigt werden und desto geringer sind die Latenzzeiten. 2009 konnte man schon 7.200 Umdrehungen pro Minuten schaffen. Festplatten für nicht-Konsumenten schaffen heutzutage sogar bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute. Das sorgt für kürzere Zugriffszeiten, beschwört aber auch Vibrationen die eine Gefahr für den Lesekopf darstellen. Fun Fact am Rande: Der Motor im Ferarri Enzo schafft es auf maximal 8.200 Umdrehungen pro Minute. 

Auch hier wieder eine SSD (links) und eine HDD (rechts). Jeweils von unten.

Das birgt einen großen Nachteil: Viele Umdrehungen kosten viel Strom und erzeugen auch eine gewisse Lautstärke, die es bei SSDs aus technischen Gründen gar nicht erst geben kann. Das zweite große Manko einer HDD ist die Empfindlichkeit. Da die Disks auf eine absolute einwandfrei reflektierende Oberfläche angewiesen sind, ist jeder Kratzer ein potentieller Totalschaden. Einen sicheren Totalschaden hat man dann, wenn die Festplatte im Betrieb einen Sturz erleidet. Mit etwas Pech landet der Kopf auf der Disk und ist somit Geschichte. Ist die Festplatte nicht im Betrieb ist man aufgrund einer „Parkposition“ für den Kopf aber mittlerweile auf der sicheren Seite. Der Größte Nachteil aber liegt wohl in der Geschwindigkeit: Der Lesekopf muss unter Umständen an verschiedenen Punkten der Disk Daten für eine Datei „lesen“ und der Lesekopf sich dafür bewegen – diese Fragmentierung der Daten minimiert die Geschwindigkeit, weshalb bei HDDs die Defragmentierung, also die Sortierung der Daten, eine wichtige Rolle spielte.

SSDs

Jetzt habt ihr also die Grundprinzipien einer HDD kennengelernt, aber was ist mit den SSDs? Ein „Solid State Drive“. Obwohl man sie im rechteckigen Format einer SSD 840, 850 oder ähnlichen wohl am ehesten erkennt, sieht man die eigentliche SSD in dieser Form nicht. Denn das Gehäuse, welches man sieht, ist eigentlich nur eine Vergrößerung der eigentlichen Festplatte um den Faktor X, damit heute noch verbauten Standards erfüllt werden können. Zudem gibt es keine definierte Form für eine SSD. Zum Vergleich kann man sich hier mal die SSD 850 mSATA und SSD 850 M.2 anschauen.

Diese kommt nämlich ausschließlich mit M.2 Konnektor und kann so auf das große Gehäuse drumherum verzichten. Soviel zum Äußeren, gehen wir mal tiefer in die Materie. Die Technologie in SSDs wirkt wie ein Wunder der Neuzeit, ist in schwacher Form aber schon lange bekannt: Speicherkarten, USB Sticks und vieles mehr. Das Zauberwort heißt Flash Speicher. Ganz grob ausgedrückt: Statt mechanischer Teile, die sich bewegen, gibt es hier unzählige kleine ‚Behälter‘ (Transistoren), die je nach Bedarf mit Strom be- oder entladen werden. Je nach Zustand interpretiert der ‚Controller‘ die Ladung und erschließt sich so die dort abgelegte Datei.

So sehen Wafer in eine SSD Factory in Südkorea aus. Große Scheiben voller kleiner NAND-Zellen, welche gerade hergestellt und nun „herausgeschnitten“ werden müssen.

Genauer: NAND-Flash-Speicher sind eigentlich extrem einfach aufgebaut. Mit verschiedenen Spannungen kann aus einem einfachen (winzigen) Stück Silizium ein Schalter ohne bewegliche Teile werden. Falls ihr gerade ein paar Minuten Zeit habt, schaut euch dieses ausgezeichnete (englischsprachige) Video hier an. Ernsthaft: Schaut es euch an, besser kann man nicht verstehen, wie ein Halbleiter funktioniert! 

Besteht der NAND-Speicher aus einer Zelle mit Silizium-Basis und arbeitet 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, an oder aus. SLC-Speicher ist relativ teuer: Mit dem “Floating Gate” werden Elektronen nur durchgeleitet oder eben nicht. Der große Vorteil ist jedoch die Geschwindigkeit und noch mehr die Haltbarkeit – die theoretischen Lebensdauern liegen hier teilweise bei mehreren hunderttausend Schreibzyklen. Eingesetzt wird ein 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. 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 Algorithmen, 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.

Der nächste Schritt Samsungs war dann der 3D V-NAND. Die Transistoren wurde gedreht, durch den Aufbau die Abschirmung verbessert und noch wichtiger: Nun konnte man NAND-Zellen übereinander stapeln und damit enorm Platz sparen, die Speicherdichte erhöhen und die Kosten senken. In wenigen Jahren hat sich das Prinzip des SSD-Grundbausteins nicht geändert, er ist nun aber bei Samsung deutlich effizienter aufgebaut.

• Vorteil Nummer eins: Mehr Geschwindigkeit als bei jeder HDD.
• Vorteil Nummer zwei: Keine Bewegung = keine Geräusche. Ein netter Nebeneffekt: SSDs verbrauchen weniger Strom.
• Vorteil Nummer drei: Bei einem Sturz kann aufgrund fehlender beweglicher Teile ein Schaden quasi generell ausgeschlossen werden.
• Vorteil Nummer vier (zumindest bei Samsung): Die SSDs sind auch gegen Vibrationen, Wärme und Kälte Immun. Offiziell gibt es hier natürlich Grenzwerte, diese liegen aber in einem Bereich, den man schon als „unmöglich natürlich erreichbar“ betiteln kann.

Warum werden SSDs in letzter Zeit immer mehr diskutiert?

Salopp gesagt ganz einfach: Weil man es sich leisten kann. Viele Firmen, neben Samsung auch etwa Intel oder Crucial, haben in den letzten Jahren viel Geld in die Forschung für SSDs gesteckt. Dementsprechend konnte man die Produktion günstiger werden lassen und immer mehr Aufmerksamkeit erhaschen. Mit der Aufmerksamkeit steigt dann auch das Interesse des Konsumenten – das Resultat sind steigende Verkaufszahlen. Durch erhöhte Verkäufe kann man zudem die Entwicklungskosten großflächiger verteilen, das Ergebnis sind erneut sinkende Preise.

Laut Computerwoche kostete die SSD 840 EVO mit 1 TB Speicher Mitte 2013 gut 850 Euro. Die SSD 850 Pro mit 1 TB Speicher kostet hingegen nur 414 Euro. Beim Thema Samsung kann ich euch auch ganz sicher sagen, dass es nichts mit einem Preisverfall zu tun hat – die SSD 840 ist einfach deutlich teurer in der Herstellung.

Damit will ich nicht sagen, dass 414 Euro für 1 TB Speicher günstig sind, aber es zeigt den Trend bei SSDs ganz gut. Nach wie vor sind HDDs aber deutlich günstiger. Für 1 TB Speicher finden man bei Amazon schon Festplatten für knapp 50 Euro. Rechnet man diesen Kurs um, kostet ein GB Speicher in Form einer HDD 5 Cent, bei einer SSD 41 Cent. Beide Kurse lassen sich aber noch drücken, wenn man auf Festplatten mit höherer Speicherdichte schaut. Wer also eine große digitale Sammlung an Daten hat, wird wohl oder übel noch auf HDDs zurückgreifen müssen oder entsprechend investieren.

Welche Vorteile bietet eine SSD und auf was muss ich beim Kauf achten?

Durch die bewegungslosen Prozesse beim Ablesen und Beschreiben gibt es nur sehr kurze Latenzzeiten. Kombiniert mit den hohen Lese- und Schreibraten öffnen sich Programme deutlich schneller – und auch der PC ist flotter einsatzbereit. Das XMG Notebook etwa, das ich für den Test der SSD 950 gestellt bekommen habe, war schneller hochgefahren, als das extern angeschlossene Display.

Mit diesen zwei Punkten hat man eigentlich auch das Wichtigste für den „Normalo“ abgedeckt. Das heißt aber nicht, dass schnellere SSDs immer teurer sind – das beste Beispiel ist der Vergleich zwischen SSD 840 und SSD 850. Durch die immer günstiger werdenden Fertigungsverfahren lohnt sich ein Blick auf das Vorjahresmodell kaum. Wichtig bei der Kalkulation ist eigentlich nur die Kapazität, denn hier sollte man genau überlegen.

Wenn man sich nämlich ‚jetzt‘ eine zu kleine SSD kauft, muss man im Fall der Fälle noch mal fast das Doppelte bezahlen, weil man plötzlich mehr Speicher braucht. Als Kompromiss kann man sogenannte „Hybrid Festplatten“ verstehen. Die setzen im Kern auf eine HDD, besitzen aber auch eine kleine SSD, die groß genug ist, um ein Betriebssystem darauf zu installieren. Der PC startet also trotzdem sehr schnell, obwohl man im Grunde eine HDD verbaut hat. Für mich aber ein unschöner Kompromiss, da Daten auf dem HDD-Teil eben langsam abgerufen werden und nur der SSD-Speicher sehr schnell arbeitet.

Bonusmaterial

Um auch noch mal einen Experten sprechen zu lassen, hat uns Samsung ein Interview mit Marcel Binder organisiert. Marcel ist der Technische Produktmanager für Speicherlösungen von Samsung in Deutschland und hat mich (sowie anderen Journalisten/Blogger) dieses Jahr zur SSD Summit nach Südkorea begleitet. Ich habe ihm vier Fragen gestellt und er hat einzeln geantwortet:

Hallo Marcel Binder!

Dustin: HDDs waren viele Jahre die einzige Möglichkeit, wenn man große Mengen von Daten speichern wollte. Die Technologie dahinter ist mittlerweile weitestgehend bekannt. Ähnlich wie bei einer CD gibt es Scheiben und einen knapp darüber schwebenden Kopf, der diese dann Stück für Stück beschreibt oder ausliest. Eine SSD ist aber viel zu klein, daher können hier weder Scheiben, noch Leseköpfe unter gebracht sein – besonders wenn man sich zudem noch ein Modell im M.2 Formfaktor ansieht, wie bspw. eure SSD 950 PRO. Wie funktioniert das Speichern und Lesen von Daten also bei SSDs? Im Vergleich zur HDD: Was ist bei einer SSD die ‚Scheibe‘ und was ist der ‚Kopf‘?

Marcel: Wie von Dir bereits angemerkt gibt es bei SSDs keine Leseköpfe. Der technische Aufbau ist hier grundlegend anders. SSDs verfügen im Gehäuseinnern über keine mechanischen Komponenten. Das heißt, die Speicherung der Daten erfolgt bei SSDs nicht durch Magnetismus wie bei Festplatten, sondern vielmehr werden Speicherzellen mit Elektronen „befüllt“ und dieser Füllstand wiederum vom Controller interpretiert. Dementsprechend können SSDs sehr klein gebaut werden, was man zum Beispiel gut an der 950 PRO sieht. Hier betragen die Abmessungen gerade mal 22 Millimeter auf 80 Millimeter – bei einer  Speicherkapazität von bis zu 512 GB.
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Dustin: Somit handelt es sich also um einen Flash-Speicher. Im Grunde eine Technologie, die wir ähnlich schon von Speicherkarten und USB Sticks kennen – nur etwas auf die Spitze getrieben. Apropos auf die Spitze getrieben: Eine SSD  840 EVO hat eine maximale Leserate von etwa 410 MB pro Sekunde – wie kann eine SSD 850 EVO bei gleich bleibender Größe bis zu 550 MB pro Sekunde lesen?

Marcel: Wie schnell eine SSD lesen und schreiben kann, hängt unter anderem vom Controller der SSD, also der Anzahl der verbauten Flash-Speicherchips, und dem Typ der verwendeten Flash-Speicherbausteine ab. In den SSDs der 840 EVO Serie ist noch ein sogenannter planarer NAND-Flash verwendet worden – die Speicherzellen wurden also 2D verbaut. In der neueren 850 EVO
Serie hingegen findet der von Samsung entwickelte V-NAND Flash Verwendung; die Speicherzellen werden vertikal – also 3D – gesetzt. In Kombination mit einem leistungsfähigen Controller bietet die 850 EVO Anwendern so eine deutlich höhere Performance als die 840 EVO und überzeugt darüber hinaus mit hoher Robustheit und Langlebigkeit.
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Dustin: Wenn wir gerade schon bei den Geschwindigkeiten sind, können wir die SSD 950 PRO – euer aktuelles SSD Flaggschiff – nicht außer Acht lassen. Ihr gebt an, dass die 256 GB Variante bis zu 2,2 GB pro Sekunde lesen kann, mein Test hat die Ergebnisse sogar getoppt. Wie kann diese im Vergleich zur SSD 850 EVO viel kleinere und dünnere SSD also gut vier Mal schneller sein?

Marcel: Schwarze Magie! *lacht*
Spaß beiseite: Dass die neue SSD 950 PRO eine so hohe Geschwindigkeit vorweisen kann, liegt hauptsächlich daran, wie die SSD mit dem Computer verbunden ist. Im Gegensatz zu unseren bisherigen SSDs wird unser 950 PRO-Modell nicht per SATA mit dem PC verbunden, sondern über vier PCI-Express Lanes, die auf aktuellen Mainboards über den M.2-Anschluss herausgeführt werden. Die aktuelle SATA Revision bietet einen theoretischen maximalen Datendurchsatz von 600 MB/s wohingegen PCI-Express 3.0 mit vier Lanes 4000 MB/s an Bandbreite bietet. Hierdurch haben wir die Möglichkeit, extrem schnelle SSDs, wie unsere neue SSD 950 PRO, zu fertigen.
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Dustin: Samsung ist ohne Frage mittlerweile einer der beliebtesten und bekanntesten Hersteller von SSDs. Vor geraumer Zeit waren andere Hersteller wie Crucial aber noch deutlich günstigere Mitstreiter – mit der SSD 850 EVO konntet ihr die Preise aber noch einmal deutlich senken. Mittlerweile seid ihr mit der 250 GB Version der SSD 850 EVO bereits unter 100 Euro angekommen. Mit der SSD 950 PRO habt ihr die Preisschraube zwar noch mal angezogen, das EVO Modell  der 850er Serie steht aufgrund der Kompatibilität aber außer Konkurrenz. Wie sieht die Zukunft aus?

Marcel: Wer über die vergangenen Jahre hinweg die preisliche Entwicklung von Flash-Speichern im Allgemeinen und als Bestandteil von SSDs im Speziellen verfolgt hat, wird sicherlich bemerkt haben, dass die Preisentwicklung langfristig gesehen eher nach unten als nach oben tendiert. Dieser Entwicklung stehen immer größere Speicherkapazitäten gegenüber, wie wir sie beispielsweise bei der 850 EVO und PRO mit 2 Terabyte bieten. Damit bedienen wir zur zeit als einziger Hersteller das Segment der hochkapazitiven SSDs für Client-Anwendungen.
Aus diesem Grund werden wir auch in Zukunft daran arbeiten, unseren Kunden das bestmögliche Produkt zu einem adäquaten Preis anzubieten – momentan bedeutet das, dass wir uns vor allem auf die Realisierung höherer Kapazitäten für die Serien 850 PRO und EVO sowie 950 PRO konzentrieren.

Disclosure: Für die Erstellung des Beitrags hat uns Samsung eine Aufwandsentschädigung zukommen lassen. Hätten wir das Thema nicht spannend gefunden, hätten wir es nicht gebracht.