Solid State Disk

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Der Begriff Solid State Disk (SSD) oder seltener Halbleiterplatte bezeichnet ein Speichermedium, das nur aus Speicherchips aufgebaut ist und festplattenartig angesprochen werden kann.

Bei der Hybridfestplatte (HHD) wird eine herkömmliche Festplatte mit einem Flashspeicher kombiniert.

[Bearbeiten] Zwei Verfahren

Das Innere eines USB-Sticks. Links der Flash-Speicherchip, rechts der Controllerchip.

Variante zwei sind die SDRAM-Speicherchips. Diese finden sich auch in jedem PC und ermöglichen eine kostenlose SSD: die RAM-Disk.

Es gibt zwei Arten verwendeter Speicherchips: einerseits Flash-basierende und andererseits SDRAMs. Erstere sind besonders energieeffizient und sogar stromunabhängig, wenn es um das Beibehalten des Inhaltes geht. Herstellerseitig werden hier rund 10 Jahre versprochen, bei den konventionellen Festplatten fehlt diese Angabe, da ihre Magnetisierung im Laufe der Zeit nachlässt. Die SDRAM-Chips ihrerseits sind flüchtig und verbrauchen pro Gigabyte deutlich mehr Energie als eine konventionelle Festplatte. Ihr Vorteil liegt dafür in der extremen Geschwindigkeit. Sie haben gegenüber Festplatten eine rund 700-fach geringere Verzögerung, um beliebige Daten aufzufinden, gegenüber der Flash-Technik sind sie 80-fach schneller. Ein zweiter Vorteil ist die festplattengleiche, unbegrenzte Wiederbeschreibbarkeit; Flash-Chips sind hier auf 0,1 bis 5 Millionen Schreibzyklen begrenzt. Diese Beschränkung gilt jedoch nicht für Lesevorgänge und zudem für jede einzelne Speicherzelle. Eine solche wird bei Verschleiß automatisch gegen eine von rund zwei Prozent Reservezellen ausgetauscht.

Es liegt nahe, die Geschwindigkeit der SDRAMs mit dem Datenerhalt anderer Speichertypen zu verbinden. So integrieren manche Hersteller etwa eine konventionelle Festplatte mit in das Gehäuse der SDRAM-SSD, um ein Abbild dieser bei einem Stromausfall zu haben. An dieser Stelle schließt sich der Kreis: denn umgekehrt verfügen konventionelle Festplatten über immer mehr SDRAM- und neuerdings Flashchips als Zwischenspeicher.

Siehe auch: SSDs im Vergleich | PC-Start mit SD-RAM-SSD | PC-Start mit Flash-SSD

[Bearbeiten] Vorteile und Einsatzgebiete

Der Wegfall der empfindlichen Motorlagerung und Lese-/Schreibmechanik von Laufwerken mit rotierenden Platten ergibt eine Vervielfachung der Schocktoleranz. Auch die Temperaturgrenzen weiten sich, ebenso wie deren schnelle Änderung keine Probleme mit sich bringt. Beides qualifiziert SSDs für den mobilen Einsatz. Am häufigsten finden sich die flashbasierten daher in MP3-Playern und USB-Sticks. Da sie zudem weniger Energie verbrauchen als Festplatten, leichter und kleiner sind, werden sie auch für (Sub-)Notebooks interessant. Erste Modelle mit Hybrid-Festplatte sind bereits im – vorerst asiatischen – Handel.

Aber auch abseits vom Massenmarkt sind Solid State Disks seit Jahren im Einsatz. 1978 brachte die Firma StorageTek den Solid State Disk STK 4305 auf den Markt, welcher kompatibel zum Festkopfplattenspeicher IBM 2305 war und mit Großrechnern vom Typ System/370 benutzt wurde. Auch im Bereich der eingebetteten Systeme, in denen es ausschließlich auf den Verzicht der mechanischen Teile ankommt werden häufig Solid State Disks verwendet. Eine Ein-Chip-Mikrocontrolleranwendung verfügt aus Platz- und Energiegründen häufig erst gar nicht über einen Festplattenanschluss. Stattdessen liegt deren Steuerungsprogramm oder Betriebssystem meist in einem Flash-Chip. Einen solchen hat auch jeder PC. Dieser fasst unter einem Megabyte und enthält das BIOS; ursprünglich ebenso eingeführt, weil nicht alle PCs eine Festplatte besaßen.

Im stationären Einsatz finden sich eher die SDRAM-basierten SSDs. Dies im Besonderen bei Anwendungen, die sehr laufwerkslastig arbeiten (Datenbanken, Sortieranwendungen), da sie wiederholt kleine Datenmengen von verschiedensten Speicherbereichen anfordern. Gern werden diese Disks auch von Entwicklern und Testern benutzt, um die Leistungsfähigkeit von Festplatten-Controllern und -bussen zu messen, da sie diese maximal auslasten.

Weitere Anwendungsgebiete finden sich in sehr elektronikfeindlichen Umgebungen, in denen Schmutz, Erschütterungen, sowie Druckschwankungen, Temperatur und Magnetfelder (Raumfahrt) den Einsatz mechanischer Platten verhindern.

[Bearbeiten] Flash-SSDs im Massenmarkt

Durch Geschwindigkeitssteigerung und Preisverfall der Flashspeicher ist damit zu rechnen, dass sie – vornehmlich bei Mobilgeräten – in den nächsten Jahren die konventionelle Festplattentechnik ergänzen und sogar ersetzen. Mit einer Ablösung wären gleichzeitig auch zahlreiche Unterscheidungsmerkmale der Hersteller verschwunden. Dazu gehören die entfallenden Punkte Lautstärke und Kühlungsbedarf, aber auch die dann prinzipbedingt sehr ähnliche Schockresistenz, Zugriffszeit und der Energiebedarf. Herstellern bliebe Gestaltungsfreiraum bei Geschwindigkeit, Kapazität und Preisgestaltung. Diese Situation besteht bereits bei USB-Sticks. Dort wurden daher zusätzliche Eigenschaften eingeführt, etwa beigelegte Software zur Verschlüsselung der Daten oder die Abdichtung des Speichers gegenüber Wasser und Schmutz. Trotz dieser Versuche ist aber mit einer Phase der Fusionen und Allianzen zu rechnen, insbesondere zwischen den heutigen Festplatten- und Flashherstellern.

[Bearbeiten] Hybridfestplatte/HHD

[Bearbeiten] Funktion & Technik

Der Schreib-/Lesekopf einer Festplatte. HHDs parken diesen während 95 % der Laufzeit neben den empfindlichen und dann stillstehenden Platten.

Bei der Hybridfestplatte (Hybrid Hard Disk) wird eine herkömmliche Festplatte mit bis zu 256 MB Flashspeicher kombiniert. Dieser fungiert als Zwischenspeicher. Anders als herkömmliche behält er aber seine Daten auch nach dem Ausschalten, was dank seiner Größe die meistgebrauchten Dateien sein werden. Somit wird die eigentliche Festplatte nur bei Bedarf – also drohendem „Überlauf“ des Caches – gestartet. Über 95 % der Zeit wird ein solches Laufwerk damit lautlos und stromsparend (um 0,1 W) funktionieren. Diese beiden Punkte, zusammen mit der dabei auch höheren Stoßfestigkeit sind die Vorteile der HHDs. Da diese besonders dem Mobileinsatz zugutekommen, planen die Hersteller bisher nur 2,5 Zoll-Modelle. Dank des S-ATA-Anschlusses sind sie aber auch im Desktop verwendbar.

Der Tempogewinn der neuen Laufwerke kann nur schwer abgeschätzt werden. Der Cache ist dabei flashtypisch zweigeteilt – während die Leserate mit 108 MB/s konventionelle Festplatten deutlich übertrifft, unterbieten 18 MB/s Schreibrate sie deutlich – damit wäre der Cache erstmals langsamer als die Festplatte selbst. Dieser Effekt rührt auch daher, dass bereits beschriebene Bereiche zunächst „genullt“ werden müssen, bevor sie erneut beschrieben werden können. Anders als bei Festplatten können sie also nicht direkt in den neuen beschriebenen Zustand übergehen. Daher wird der bisher schon vorhandene, wenige Megabyte fassende DRAM-basierte Cache wohl bei allen Herstellern beibehalten werden und der Flashspeicher bei großen Dateien umgangen - um sie direkt auf die Platten zu schreiben. Dazu müssen diese aber anfahren, was etwa einer Sekunde bedarf. Ihre Transferrate entspricht dann herkömmlichen Festplatten.

Auch wenn Hybridfestplatten erst 2007 auf den Markt gekommen sind, gab es eine ähnliche Technik schon mehr als zehn Jahre zuvor: Der Hersteller Quantum hatte eine SCSI-Festplattenserie namens Rushmore im Programm. Diese Platten hatten zusätzliche zur eigentlichen Festplatte die gleiche Speichergröße als SD-RAM, also sozusagen ein Cache-Speicher in voller Festplattengröße. Damit waren alle Lese- und Schreibvorgänge extrem schnell. Vor dem Abschalten der Rushmore-Festplatten mussten aber sämtliche vom Host-System geschriebenen und nur im RAM befindlichen Daten auf die eigentliche Festplatte kopiert werden, weil der RAM beim Ausschalten seinen Inhalt verlor. Wegen der hohen Preise für RAM waren die Rushmore-Platten für Privatanwender praktisch unerschwinglich.

Siehe auch: SSDs im Vergleich.

[Bearbeiten] Marktsituation

Der derzeit einzige Hersteller von HHDs ist Samsung. Verwendet werden die für den Einsatz in reinen SSDs entwickelten OneNAND-Chips, welche die Vorteile der zwei bisherigen Flash-Technologien vereinen sollen. Nach Tests der „Flashon“-Laufwerke bei Computerherstellern im dritten Quartal 2006 soll der Verkaufsstart zusammen mit Windows Vista Anfang 2007 erfolgen. Das starke Engagement des Konzerns, Festplatten möglichst bald durch Flashspeicher zu ersetzen, dürfte durch die Chipproduktion im eigenen Haus unterstützt werden, denn über diese Synergie verfügt neben Samsung nur noch Toshiba als einziger Festplattenhersteller. Toshiba hat derzeit keine Produkte angekündigt, plant aber ebenfalls massive Investitionen in den neu entstehenden Markt. Im ersten Halbjahr 2007 möchte Seagate gleichziehen und eine um Flashspeicher ergänzte Version ihrer aktuellen 2,5-Zoll-Generation anbieten, ebenso Hitachi mit einer neuen Serie und bis zu 250 GB. Beide Hersteller planen, ihre Laufwerke wie herkömmliche Festplatten auch separat zu verkaufen, Samsung dagegen ausschließlich an Notebookhersteller. Preise dürften bei allen um 200 € starten.

Zusammen mit Fujitsu, die noch keine HHD ankündigten, gründeten die genannten Hersteller Anfang 2007 die „Hybrid Storage Alliance“, um die Vorteile der neuen Technologie besser vermarkten zu können - denkbar wären etwa einheitliche Logos und Mindeststandards zu deren Erlangung.

Siehe auch: Bestandteile des Samsung-Vorserienmodells | Vergleich aller drei Flashchip-Technologien

[Bearbeiten] Reine Flash-Laufwerke

Diese befinden sich bereits in Produktion, waren aber bisher militärischen und anderen wenig preissensitiven Märkten vorbehalten. Seit März 2006 jedoch fertigt Samsung ein Modell, welches mit einem Achtel des Preises einen anderen Zielmarkt anvisiert: Notebooks mit 2,5- und 1,8-Zoll-Festplatten (per Adapter auch Desktop-PCs). Die Modellreihe für beide Formfaktoren fasst maximal 32 Gigabyte, die mit branchenüblichen 50 MB/s ausgelesen und 30 MB/s beschrieben werden. In Ruhe konsumiert das größte Modell etwa ein Zehntel der Energie konventioneller Festplatten dieser Maße, im Zugriff bleibt es auf dem Niveau der kleineren 1,8-Zoll-Festplatten. Das Gewicht halbiert sich dabei, wovon dann wiederum die Hälfte der Plastikrahmen um die Leiterplatte beisteuert. Der Preis liegt bei 600 €. Im nächsten Jahr sollen ihre Nachfolger in 30 Prozent aller Notebooks zu finden sein.
Der zweite Anbieter in diesem neu entstehenden Markt ist der etablierte SSD-Hersteller M-Systems, der nach seiner Übernahme durch den Speicherkartenhersteller SanDisk Anfang 2007 mit der Ankündigung eines etwas schnelleren Produktes reagierte. Tags darauf hat Samsung seinerseits eine neue Flashtechnik angekündigt, die ihrerseits doppelte Kapazität und Geschwindigkeit bringen soll. Beide Hersteller möchten im ersten Quartal den Ankündigungen Produkte folgen lassen. Die Samsung-Chips der ersten Generation werden dann vom Speicherkartenhersteller Ritek ab dem zweiten Quartal in einem fast identischen Produkt weiterverwendet. Der projektierte Preis ist hier allerdings 100 € niedriger.

Aufgrund ihrer Stoßfestigkeit werden Flashfestplatten auch im sogenannten 100-Dollar-Laptop eingebaut. Damit wird diese neue Technik überraschenderweise im günstigsten Segment serienmäßig zum Einsatz kommen. Das verwendete Laufwerk fasst 512 MB und kostet mit rund 15$ deutlich weniger als konventionelle Festplatten, die dafür ein vielfaches Fassungsvermögen haben.

Gerüchteweise arbeitet Apple Inc. zurzeit an einer Erweiterung des MacBook- Ranges. Eine Produktvariante des MacBooks mit reinem Flash-Speicher als Hauptspeicher anstelle dem bisherigen Harddrive soll neben Energieersparnis und deutlich kompakteren Abmessungen des Geräts auch eine ungleich schnellere Betriebsbereitschaft von Mac OS ermöglichen. Erste Pressemeldungen terminieren Vorstellung und Markteinführung eines solchen MacBooks für das zweite Halbjahr 2007. Apple hat durch die Nutzung von Flash- Speichern in den iPod Nano- Modellen schon seit längerer Zeit Erfahrung mit SSD- Drives und seit geraumer Zeit großvolumige und günstige Lieferverträge mit Samsung.

Siehe auch: PC-Start mit Flash-SSD und konventioneller Festplatte

[Bearbeiten] Windows Vista und Flashspeicher

Windows Vista verspricht, Festplattenzugriffe auf HHDs zu optimieren. Dazu soll es eine solche erkennen und sich vornehmlich im Flashteil aufhalten. Da dieser jedoch immer die meistbenutzten Daten enthält, sollte sich derselbe Effekt auch mit anderen Betriebssystemen einstellen.

Vista soll zudem von USB-Sticks profitieren. Es bietet hierzu an, einen Teil deren Speicherplatzes analog zur HHD als schnellen Zwischenspeicher zu nutzen. Da beide Flashspeicher einander ähneln, dürfte der Geschwindigkeitsvorteil vergleichbar sein; obgleich hier natürlich die Festplatte weiterhin auf Touren bleibt und auch ein Abbild dieses Zwischenspeichers enthält, das verwendet wird, wenn der USB-Stick abgezogen wird. Zudem wird der Zwischenspeicher sicherheitshalber mit 128 Bit verschlüsselt und sinnvollerweise vor Gebrauch kurz auf ausreichende Geschwindigkeit getestet. Repräsentative Tests zum Nutzen dieser Idee („ReadyBoost“) zeigen nur bei PCs mit weniger als 1 GB RAM einen spürbaren Vorteil. Erforderlich ist eine Laufwerksgröße von 256 MB.

Die dritte Vista-Variante, Flashpeicher zu nutzen, sind Flashspeicher, die gar nicht als eigenes Laufwerk sichtbar werden, sondern als schneller Zwischenspeicher für eine schon vorhandene Festplatte dienen. Angekündigt ist seitens Samsung ein 4-GB-Laufwerk im 2,5- und 1,8-Zoll-Format, das durch integrierte Komprimierung eine tatsächliche Kapazität von 8 GB erreicht und für unter 100 € vermutlich zeitnah zu Vista erscheinen wird. Unklar ist vorerst noch, wie das Laufwerk angeschlossen wird, da solch kompakte Bauformen (entwickelt für den Notebookmarkt) normalerweise nur mit Adaptern an stationären PCs funktionieren. Eine Möglichkeit wäre in Notebooks die Integration auf dem Mainboard, sonst die Nutzung eines PCI-Express-Anschlusses. Diesen nutzt Intel für seine sehr ähnliche „Robson“-Technologie. Entsprechende Mainboards und Notebooks sind ab Frühjahr 2007 zu erwarten, in Intel-eigenen Präsentationen waren Programmstarts auf ein Viertel der Ladezeit reduziert.

[Bearbeiten] Verschleiß der Flashlaufwerke

Konventionelle und Flashfestplatten verschleißen mit der Zeit. Während sich das bei ersteren aus der Abnutzung der Mechanik ergibt, wirkt bei der Flashtechnik ein elektrischer Effekt begrenzend. Lesevorgänge sind hier zwar unbegrenzt möglich, je nach Qualität kann eine Flashzelle aber nur zwischen 100.000 und 5 Millionen Schreibvorgängen absolvieren. Danach „vergisst“ sie, was neu geschrieben wird. Flashspeicher wären so mitunter schon nach wenigen Tagen defekt. Dem wirken seit einigen Jahren „Wear-Levelling“-Verfahren entgegen. Der Controller im Flashlaufwerk verteilt Schreibvorgänge auf alle Speicherzellen so, das jede möglichst gleich häufig beschrieben wird. Er arbeitet autark und ist vom Rest des Computers aus weder sichtbar, noch beeinflussbar. Dieses Verteilungs-Verfahren gibt es in verschiedenen Ausbaustufen. So verwendet eine Flashfestplatte häufig komplexere Controller, als ein USB-Stick und sehr wenige Wechseldatenträger auch gar keinen. Hier können dann Software-Lösungen wie in Windows Vista oder das Dateisystem JFFS2 unter Linux aushelfen. Je nach Ausbaustufe führt das Verfahren zu einer Haltbarkeit, die konventionellen Festplatten nahe kommt, oder sie übertrifft. Eine Ausfallvorhersage wie bei konventionellen Festplatten (S.M.A.R.T.), fehlte bei SSDs jedoch. SiliconSystems hat 2006 eine mit S.M.A.R.T. vergleichbare Technik eingeführt, diese ist jedoch kein Standard und auf diesen Hersteller begrenzt.

Ein Nebeneffekt aller Verteilungs-Verfahren ist, dass kein sicheres Löschen mehr möglich ist. Der Hintergrund ist im folgenden Abschnitt erläutert.

Siehe auch: SiS.M.A.R.T.-Technologie | JFFS2 in der englischen Wikipedia

[Bearbeiten] Methoden der Nutzungsverteilung

Dateien werden immer als Bitfolge geschrieben. Heute enthält eine Flashzelle meist 2 Bits (ein Viertel Byte), welche in Blöcken von 2.000 oder 4.000 Byte zusammengefasst sind. Angesprochen werden vom Controller immer ganze Blöcke. Beim Lesen einzeln, beim Schreiben werden sie abermals zusammengefasst - zu einem „Erasable Block“. Dieser enthält 32 oder 64 Blöcke. Bei jeder Änderung in einem seiner Blöcke wird der zunächst nicht gelöscht, sondern als unaktuell markiert. Geschrieben wird in den nächsten freien Block desselben Erasable Block. Erst, wenn alle seine Blöcke unaktuell sind, wird er einmal komplett gelöscht. Somit müssen bei jedem geänderten Byte mehrere Kilobyte (der nächste Block) neu geschrieben werden. Und damit entstünde eine inakzeptable Haltbarkeit. Im folgenden Beispiel wird eine Textdatei viermal überarbeitet und gespeichert.

Dynamic Wear Levelling
Soll ein Erasable Block beschrieben werden, wird hier von den noch nicht belegten der am wenigsten abgenutzte ausgewählt. Dies ist vergleichsweise einfach im Controller umzusetzen. Es hat den Nachteil, dass bei gut gefülltem Laufwerk der wenige freie Platz schneller abgenutzt wird. Die Schreibzyklen steigen um den Faktor 25 gegenüber fehlendem Wear-Levelling.

Static Wear Levelling
Soll ein Erasable Block beschrieben werden, wird hier der am wenigsten abgenutzte ausgewählt. Ist dieser schon belegt, werden dessen Daten auf einen anderen umverlagert, dann die neuen Daten geschrieben. Dies erfordert einen etwas komplexeren Controller. Die Schreibzyklen steigen um den Faktor 100 gegenüber fehlendem Wear-Levelling.

Defekte Blöcke
Scheitert ein Schreibversuch auf einen Block, wird dieser wie bei konventionellen Festplatten als nicht mehr benutzbar markiert und ein Reserveblock aktiviert.

Sicheres Löschen
Alle bekannten Betriebssysteme löschen Dateien nicht komplett, sondern entfernen nur den Eintrag im Inhaltsverzeichnis des Dateisystems. Dies beschleunigt den Löschvorgang, ermöglicht aber auch eine Wiederherstellung der Datei. Daher gibt es Software oder wie bei Linux Befehle, um die Datei wirklich zu überschreiben. Dieses Überschreiben leiten Flashsspeicher mit Nutzungsverteilung dann aber auf die bisher am wenigsten benutzten Blöcke, nicht auf jene, in denen die Datei steht. Um dieses Sicherheitsleck zu nutzen, müsste aber das Laufwerk geöffnet und der Controller gegen einen ausgetauscht werden, der dann alle Blöcke ausliest. Zudem fehlt die Information, welche Blöcke zu einer durch „Überschreiben“ gelöschten Datei in welcher Reihenfolge gehören. Kryptographiehersteller warnen trotzdem vor Einsatz solcher Laufwerke, da zumindest Schlüssel auffindbar sein könnten.

Behebbar ist das Problem erst durch einen Controller, der auf Wunsch vorübergehend die Nutzungsverteilung abschalten kann und so ein „Secure Erase“ ermöglicht. Entsprechende Laufwerke sind aber nur im Hochpreissegment zu finden, etwa von M-Systems. Diese enthalten dann auch Löschalgorithmen nach US-AirForce oder Navy-Standard.

Siehe auch: Wear Levelling in der englischen Wikipedia | Flash-Haltbarkeit berechnen (am Ende der Seite)

[Bearbeiten] Solid State Disks im Vergleich

Im Folgenden sind die derzeit aktuellen Verfahren zum Vergleich aufgeführt.

Die unteren Preisgrenzen beziehen sich auf die größeren Modelle, die bei allen SSD-Verfahren vergleichbar günstig pro Gigabyte sind. Trotzdem haben die jeweiligen Einstiegsmodelle sehr unterschiedliche Preise.

Bei Betriebssystem-, Programmstarts und wo immer Zugriffszeiten eine Rolle spielen, sind diese Solid State-Verfahren den Festplatten überlegen. Prinzipbedingt gelingt es ihnen, die obigen Geschwindigkeiten bei zufällig verteilten Zugriffen aufrecht zu erhalten.

Für die CompactFlash-Variante ergibt sich eine weitere Anwendungsmöglichkeit. Dank Adaptern, die als Slotblende befestigt werden, kann die CF-Karte von außen ausgetauscht werden – die Verkabelung bleibt im Gehäuse. Da der Adapter außerdem weder PCI- noch andere Kontaktleisten hat, kann er ganz nach Platzangebot eingebaut werden. Das ist ein Unikum dieser Solid State Variante und ermöglicht so Anwendungen, Benutzer oder Betriebssysteme sauber und sicher voneinander zu trennen. Denn so kann jeder Benutzer seine bevorzugte Betriebssystem- und Arbeitsumgebung mitbringen, wobei er gleichzeitig keinerlei Daten im PC hinterlässt, da er die „Festplatte“ einfach mitnimmt. Zusätzlich sind CompactFlash-Karten viel robuster und handlicher als ihre „Vorfahren“, die Festplatten im Wechselrahmen.