Seite 2: Die Samsung SSD 850 PRO im Detail

Um die Technologie hinter 3D V-NAND zu verstehen, erinnern wir uns zunächst daran, wie eine klassische Zelle funktioniert. Das folgende Bild skizziert dabei den Aufbau: Neben den Steuerelektroden besitzt eine Flashzelle ein sog. Floating-Gate, welches elektrisch isoliert ist. In diesem Floating-Gate werden letztendlich die Daten in Form von Elektronen gespeichert, die durch die Isolationsschicht durchgetunnelt werden und sich im Floating-Gate sammeln, aus welchem sie dank der Isolation von alleine nicht mehr abfließen können. Um die Elektronen wieder zu entfernen, wird eine vergleichsweise hohe Spannung (ca. 20 V) benötigt.

Floating gate transistor

Die Menge der gespeicherten Elektronen entspricht dabei der gespeicherten Information. Eine Single-Level-Zelle (SLC) kennt genau zwei Zustände, nämlich gelöscht (0) und programmiert (1). Eine 2-bit Zelle (MLC) kann somit insgesamt vier Zustände speichern (00, 01, 10 und 11) und bei einer 3-bit Zelle (TLC) sind es sogar acht. Diese Zustände zu unterscheiden ist mit wachsender Anzahl der Zustände immer schwieriger und hat auch einen direkten Einfluss auf die Haltbarkeit. Während Elektronen durch die Isolationsschicht tunneln, nutzt sich diese ab. Die Messung der gespeicherten Ladung wird immer ungenauer und da die Abstände zwischen unterschiedlichen Zuständen mit steigender Anzahl der Zustände immer kleiner werden, kommt es hier irgendwann zu Fehlern und die Zelle kann nicht mehr verwendet werden.

Einen Einfluss auf die Haltbarkeit hat jedoch nicht nur die Anzahl der Zustände, sondern auch die Strukturgröße, in welcher der Speicher gefertigt wurde. Eine kleinere Strukturgröße führt offensichtlich zu dünneren Isolationsschichten, die sich schneller abnutzen. Während wir am Anfang noch MLC-Speicher in 50 nm gesehen haben, der bis zu 10.000 Zyklen aushält, ist Speicher in 20 nm nur noch für ca. 3.000 Zyklen gut. Die Hersteller konnten diese Reduktion der Zyklen durch immer bessere Wear-Leveling- und Fehlerkorrekturalgorithmen bisher allerdings hervorragend abfangen, sodass es bei der tatsächlichen Haltbarkeit keine großen Unterschiede gibt.

Die vier verschiedenen Varianten der Samsung SSD 850 PRO und ihr Innenleben

Doch wird selbstverständlich auch hier irgendwann eine physikalische Grenze erreicht, nämlich dann, wenn die Strukturen so klein werden, dass sich benachbarte Zellen gegenseitig beeinflussen. Die 16 nm des MLC-Speichers auf der Crucial MX100 dürften hier schon die vorletzte Stufe sein, bevor diese Grenze erreicht ist. Die radikale Änderung bei 3D V-NAND liegt nun bei der Anordnung der verschiedenen Schichten. Statt einer flachen zweidimensionalen Bauweise kommen bei 3D V-NAND konzentrische Zylinder zum Einsatz. Dabei umgibt das außenliegende Control Gate eine Schicht aus Siliciumnitrid, die die Ladung hält und damit das bisherige Floating Gate ersetzt. Dies wird Charge-Trap-Technik genannt und kommt auch bei planarem NAND zum Einsatz. Diese Schicht liegt schließlich um die innere Silizium-Schicht, welche die Source- und Drain-Anschlüsse darstellt. Diese kleinen zylinderförmigen Speicherzellen werden zum Schluss aufeinander gestapelt, sodass sich eine dreidimensionale Bauweise gibt.

Der 3D V-NAND, welcher in der Samsung SSD 850 PRO zum Einsatz kommt, besitzt insgesamt 32 Schichten. Zum Vergleich: Beim Die-Stacking sind 16 aufeinander gestapelte Dice schon außergewöhnlich viel. Samsung verspricht hierbei gegenüber klassischem 20nm MLC NAND eine zwei Mal höhere Dichte und Schreibgeschwindigkeit. Aufgrund der höheren Performance des 3D V-NAND besitzt schon das 128 GB-Modell der Samsung 850 PRO eine hohe sequenzielle Schreibrate und die maximale Performance wird bereits mit dem 256 GB-Modell erreicht, wie die folgende Tabelle zeigt:

Samsung SSD 850 PRO
Performance128 GB256 GB512 GB1 TB
Seq. lesen [MB/s] 550 550 550 550
Seq. schreiben [MB/s] 470 520 520 520
4K lesen (QD 1) [IOPS] 10.000 10.000 10.000 10.000
4K schreiben (QD 1) [IOPS] 36.000 36.000 36.000 36.000
4K lesen (QD 32) [IOPS] 100.000 100.000 100.000 100.000
4K schreiben (QD 32) [IOPS] 90.000 90.000 90.000 90.000

Während der Flash-Speicher eine sehe große Neuerung ist, setzt man bei der restlichen Hardware auf Bewährtes. Beim Controller handelt es sich um den hauseigenen Samsung MEX, den wir schon von der Samsung SSD 840 EVO kennen. In der 850 PRO wird natürlich eine auf 3D V-NAND angepasste Version zum Einsatz kommen. Unterstützt wird der Controller von Low-Power DDR2-RAM, wobei das kleinste Modell mit 128 GB einen 256 MB großen Cache besitzt, bei den Versionen mit 256 und 512 GB sind es 512 MB. Beim Topmodell mit einem Terabyte wird sogar ein Gigabyte Cache verlötet.

Auch bei den restlichen Spezifikationen hat Samsung bei der 850 PRO nicht gespart: Mit einer 256 Bit AES-Verschlüsselung und der Unterstützung für TCG Opal 2.0 bzw. Microsoft eDrive lässt sich das Laufwerk ohne Leistungsverlust transparent verschlüsseln, passendes Betriebssystem vorausgesetzt: Die Hardwareverschlüsselung nutzt Microsoft BitLocker erst ab Windows 8, bei früheren Versionen oder SSDs ohne eDrive-Untertsützung ist die Verschlüsselung rein auf Softwarebasis und kostet daher 10-20% Performance.

Aus einer Hand: Controller, Cache und 3D V-NAND von Samsung

Was die Haltbarkeit der Samsung SSD 850 PRO angeht, gibt es keinen Grund zur Sorge: Das Datenblatt gibt einen Wert von 40 GB geschriebenen Daten pro Tag an. Da dieser Wert unabhängig von der Kapazität angegeben wird, dürften die größeren Versionen der 850 PRO noch einmal deutlich mehr aushalten. Zum Vergleich: Die Intel SSD 730 Series, ebenfalls im Highend- bzw. Enthusiasten-Segment positioniert, ist in der 240 GB Version für 50 GB pro Tag spezifiziert und in der 480 GB Version für 70 GB pro Tag. Abgerundet wird alles mit einer zehnjährigen Garantie, fünf Jahre mehr als im Highend-Bereich üblich.

Bevor wir zu den eigentlichen Benchmarks kommen, untersuchen wir die Performance der Samsung SSD 850 PRO nach starker Belastung. Dazu lassen wir zuerst über das fabrikneue Laufwerk den HDTach-Benchmark laufen, um die Performance im Auslieferungszustand zu bestimmen. Danach starten wir Iometer und schreiben solange auf das Laufwerk, bis es abermals vollständig gefüllt wurde, dieses Mal allerdings mit 4K-Blöcken und zufälligen Schreibzugriffen bei einer Queue Depth von 64. Wir haben diesen Test sowohl mit der 512 als auch mit der 256 GB großen Version der Samsung SSD 850 PRO durchgeführt. Bei der 256 GB-Version haben wir außerdem getestet, wie sich ein zusätzliches Over-Provisioning von 20% auswirkt. Die Ergebnisse sämtlicher Tests finden sich zusammengefasst in der folgenden Tabelle. Die Werte stellen jeweils den Durchschnittswert dar, ein Klick auf das entsprechende Ergebnis führt zum HDTach-Screenshot.

Samsung SSD 850 PRO Belastungstest
Modell NeuGebraucht
 LesenSchreibenLesenSchreiben
512 GB 488 MB/s 462,9 MB/s 487,4 MB/s 92,3 MB/s
256 GB 488,4 MB/s 460,6 MB/s 487,5 MB/s 94,2 MB/s
256 GB + 20% OP 487,8 MB/s 236,8 MB/s

Die Schreibrate fällt deutlich ab, allerdings haben wir hier auch schon schlechtere (und manchmal bessere) Ergebnisse gesehen. Bemerkenswert ist, dass die Lesegeschwindigkeit nach unserem Belastungstest nicht abgenommen hat. Viele Laufwerke lesen nach diesem Test auch deutlich langsamer, das ist bei der Samsung SSD 850 PRO nicht der Fall - ein sehr gutes Ergebnis. Die mittlere Schreibrate beim Test mit zusätzlichen Over-Provisioning ist mit Vorsicht zu genießen, da HDTach stets über die gesamte Kapazität testet. Der letzte Teil, in welchem die Geschwindigkeit konstant ist, wäre dem Nutzer eigentlich gar nicht zugänglich. Doch das Ergebnis mit zusätzlichem Over-Provisioning ist trotzdem deutlich besser, denn die Kurve fängt bereits bei knapp 100 und nicht 50 MB/s an. Für den Alltagsbetrieb benötigt man freilich kein zusätzliches Over-Provisioning, diese Option dürfte hauptsächlich für Server mit enormer Schreiblast interessant werden.