Seite 2: Technisches zur Haltbarkeit von SSDs

Die Haltbarkeit von SSDs ist nach wie vor ein heiß diskutiertes Thema. Dass auch Festplatten keine unbegrenzte Haltbarkeit haben, ist weithin bekannt und trotzdem kaum Diskussionsgegenstand. Im Gegensatz zu Festplatten gibt es bei SSDs, oder allgemein bei jedem Flashspeicher, jedoch ein Kriterium, das sich wunderbar in eine Zahl verpacken lässt: Nämlich die Anzahl der Schreibzyklen, nach denen der Speicher defekt ist. „Eine Zelle lässt sich zehntausend Mal beschreiben, danach ist sie kaputt" – das kannte man bei Festplatten nicht, obwohl auch Magnetspeicher unter Dauerlast selbstverständlich schneller verschleißen. Im Gegensatz zu SSDs verschleißt die Mechanik von Festplatten allerdings auch beim Lesen, Flashspeicher nutzt sich bei lesendem Zugriff nicht ab.

Doch wie immer ist es nicht so einfach: Wie lange Flashspeicher und insbesondere die gesamte SSD hält, hängt von weit mehr Faktoren ab. In Datenblättern findet man so gut wie nie eine Angabe darüber, wie oft die Zellen beschrieben werden können, sondern entweder eine Angabe über die zulässige Schreiblast pro Tag, die Gesamte spezifizierte Schreiblast (TBW – Total Bytes Written) oder die Häufigkeit, die das Laufwerk täglich vollständig beschrieben werden kann (DWPD – Drive Writes Per Day).

Es gibt nämlich einen teilweise eklatanten Unterschied zwischen der Datenmenge, die der Host an das Laufwerk sendet und der Datenmenge, die tatsächlich in den Flashspeicher geschrieben wird. Letztere ist meistens größer, der Quotient der beiden Größen wird als Write Amplification (WA) bezeichnet. Der Grund dafür, dass dieser Faktor nicht – wie bei Festplatten – genau bei eins liegt, ist, dass keine einzelnen Zellen („Sektoren") beschrieben werden können. Einzelne Zellen werden bei Flashspeicher zu Blöcken zusammengefasst und können nur als Solche beschrieben werden. Ändert man in einer Datei ein Byte und speichert sie, kann es sein, dass mehrere Kilobyte im Flashspeicher geändert werden müssen. Das ist zugegebenermaßen ein Extremfall, in der Regel sind Schreibzugriffe deutlich größer und auch das Caching der SSD kann helfen, diesen Effekt zu minimeren.

SandForce-Controller
In vielen SSDs arbeitet der SandForce-Controller - aber es gibt auch diverse andere Controller-Hersteller, wie Micron oder Samsung.

So schaffen es heutige SSDs bei der Write Amplification durchschnittlich auf einen Faktor, der nur geringfügig größer als eins ist. Frühere Modelle, die inzwischen längst nicht mehr auf dem Markt sind, hatten teilweise eine WA von 100 und mehr – da hilft auch der haltbarste Flashspeicher nichts, viele dieser SSDs wurden tatsächlich unbrauchbar, weil der Speicher kaputtgeschrieben wurde, obwohl der damals verwendete Speicher noch für 10.000 Zyklen spezifiziert war.

Wie viele Zyklen der Flashspeicher selbst aushält, hängt im Wesentlichen von zwei Parametern ab: Der Strukturgröße, in welcher der Speicher gefertigt wird und der Anzahl an Bits, die pro Zelle gespeichert werden. Die Komponente des Flashspeichers, die sich abnutzt, ist eine dünne Isolationsschicht, die bei kleineren Strukturgrößen immer empfindlicher wird. Die Isolationsschicht hält Elektronen fest, die den Speicherzustand der Zelle angeben. Möchte man nur ein Bit pro Zelle speichern, muss der Controller lediglich zwei Zustände unterscheiden. Diese Speicherart nennt sich SLC (Single Level Cell) und ist heute nur noch sehr selten anzutreffen. Sollten zwei Bits pro Zelle gespeichert werden, müssen insgesamt vier Zustände unterschieden werden. Da das mit steigender Abnutzung der Zelle immer schwieriger wird, sorgt die höhere Anzahl der zu unterscheidenden Zustände für einen früheren Ausfall der Zelle. Zwei Bit pro Zelle werden als MLC (Multi Level Cell) bezeichnet und werden heute in praktisch allen SSDs eingesetzt. Meistens halten sie zwei- bis dreitausend Zyklen, für Server- und Enterpriseanwendungen gibt es MLC-Speicher mit gesteigerter Haltbarkeit, damit erreichen MLC-Zellen bis zu 30.000 Zyklen, was immer noch weniger als SLC mit bis zu 100.000 Zyklen ist.

In Zukunft wahrscheinlich wesentlich häufiger anzutreffen sind zwei Speichertypen, die es momentan nur vereinzelt gibt, je nach Einsatzzweck allerdings deutlich besser geeignet sind. Zum einen ist das TLC (Triple Level Cell) – wie der Name schon sagt, werden pro Zelle drei Bit, also acht Zustände gespeichert. Dieser Speichertyp kommt beispielsweise in der 840 EVO-Reihe der Samsung SSDs zum Einsatz. Die große Speicherdichte ermöglicht eine günstigere Fertigung, was sich natürlich auch im Verkaufspreis niederschlägt. Kleinere Strukturen erhöhen ebenfalls die Datendichte, weswegen Crucials MX100 zur Zeit ebenfalls extrem günstig ist, obwohl MLC-Speicher zum Einsatz kommt.

Die neue Königsklasse in Sachen Flashspeicher dürfte hingegen sogenannter 3D NAND sein. Diese Technik haben wir im Artikel zur Samsung SSD 850 PRO Series bereits beschrieben – durch einen neuartigen Aufbau der einzelnen Zellen kann die Datendichte massiv erhöht werden. Gleichzeitig wird aufgrund der größeren Fertigungsstrukturen eine deutlich längere Haltbarkeit erreicht. Samsung schreibt dem aktuellen 3D V-NAND eine längere Haltbarkeit als SLC-Speicher zu.

3D-V-NAND von Samsung auf der 850 Pro

Letztendlich muss auch noch gesagt werden, dass bei der ganzen Diskussion über die Haltbarkeit von Flashspeicher eine wichtige Tatsache häufig untergeht: Die meisten defekten SSDs sind nicht wegen kaputtgeschriebenem Speicher unbrauchbar geworden, sondern wegen anderen Hardwaredefekten oder schlicht Fehlern in der Firmware. Auf dieses Konto dürften heutzutage quasi alle Ausfälle von Flashspeichern gehen. Die meisten Hersteller spezifizieren ihre SSDs auf mehr als 20 GB Schreiblast pro Tag über mehrere Jahre. Bisherige Tests haben gezeigt, dass diese Angaben meistens stark untertrieben sind. Zusammen mit der Tatsache, dass in kaum einem System annähernd 20 GB pro Tag geschrieben werden, kommt man schnell zu folgendem Schluss: Die Haltbarkeit aller aktuellen SSDs ist für Heimanwender mehr als ausreichend. Im Gegensatz zu Festplatten, die nach drei bis vier Jahren bereits eine deutlich erhöhte Ausfallrate aufgrund mechanischer Abnutzung zeigen, ist der Flashspeicher moderner SSDs bei normaler Nutzung in dieser Zeit kaum spürbar abgenutzt. Hohe Standards was die Qualität der Firmware und die restlichen Komponenten angeht sind ebenfalls wichtig – wenn nicht sogar wichtiger als die rein in Zahlen erfassbare Haltbarkeit einer SSD.