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Eine Übersicht über aktuelle Technologien bei SSDs

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Seite 4: Über Speichertechnologien: SLC, MLC, TLC und 3D-NAND

Die Frage um die Speichertechnologie wird bisweilen sehr ideologisch und kontrovers diskutiert, dabei ist sie für den Endanwender eigentlich kaum von Belang. Doch der Reihe nach – was hat es überhaupt mit SLC, MLC und TLC auf sich? Die Abkürzungen geben an, wie viele Bits in einer Zelle gespeichert werden. Bei Single Level Cell (SLC) ist es genau ein Bit, bei Multi Level Cell sind es zwei Bits und bei Triple Level Cell drei. Tatsächlich beschreibt MLC alle Technologien, bei denen mindestens zwei Bits pro Zelle gespeichert werden. Das eißt, man kann also auch von 2-Bit MLC und 3-Bit MLC sprechen, wobei letzteres äquivalent zu TLC ist.

Warum möchte man möglichst viele Bits pro Zelle speichern? Die Antwortet lautet Speicherdichte, denn mit der gleichen Anzahl an Zellen kann ein MLC-Laufwerk doppelt so viele Daten wie ein SLC-Laufwerk speichern, und ein TLC-Laufwerk immerhin 50% mehr als ein MLC-Laufwerk. Im Gegensatz zu Festplatten sind die variablen Kosten bei einer SSD in Abhängigkeit von der Speicherkapazität sehr hoch. Viele Festplattenmodelle enthalten die gleiche Anzahl an Plattern („Scheiben“), von denen bei den kleineren Modellen einfach ein Teil ungenutzt bleibt, denn die Produktionskosten für einen Platter sind vergleichsweise niedrig. Die Produktion von Silizium-Chips ist jedoch sehr aufwendig und teuer, sodass eine doppelt so große SSD in der Herstellung auch grob das Doppelte kostet. 

Der unterschiedliche Aufbau von 2D- und 3D-Speicher wird im Querschnitt deutlich. (Quelle: Samsung)

Und die Kehrseite der Medaille? In einer Zelle werden tatsächlich keine Bits gespeichert, sondern Elektronen. Je mehr Elektronen sich in einer Zelle befinden, desto höhere ist die Spannung. Über die Spannung lassen sich also mehrere Zustände kodieren. Im Fall von SLC gibt es 21, also zwei Zustände. Diese auseinanderzuhalten ist sehr einfach, da sich entweder gar keine Elektronen in der Zelle befinden oder die maximale Anzahl. Bei TLC gibt es hingegen 23, also ganze acht Zustände. Neben „minimale Spannung“ und „maximale Spannung“ muss es also sechs weitere Zustände geben, die der Controller zuverlässig programmieren und ebenso zuverlässig wieder auslesen können muss. Dies stellt eine große Herausforderung dar und führt schlussendlich dazu, dass vor allem der Programmiervorgang deutlich langsamer wird und die Performance daraufhin sinkt. Ebenso haben Speicherzellen keine unbegrenzte Lebensdauer, gegen Ende derselben wird ihre Fähigkeit, einen Zustand zuverlässig zu speichern, immer schlechter. Das Unterscheiden von acht Zuständen ist hier also wesentlich früher nicht mehr möglich als bei lediglich zwei oder vier Zuständen – die Lebensdauer sinkt.

Auf der anderen Seite entwickeln sämtliche Hersteller ihre Controller immer weiter, sodass dank Fortschritten in der Signalverarbeitung und der Fehlerkorrektur die reduzierte Haltbarkeit des Speichers ausgeglichen werden kann. Dazu ein Zahlenbeispiel: Die Samsung SSD 840 EVO ist mit 19 nm TLC-Speicher ausgestattet und soll in der 250 GB Variante selbst bei extremer Belastung (40 GB/Tag Schreibzugriffe nach JEDEC) über zehn Jahre halten.

Größenvergleich zwischen einem 2D und einem 3D-Die. (Quelle: Samsung)

Die fortschreitende Verkleinerung erreicht selbstverständlich irgendwann auch eine physikalische Grenze. Diese liegt im 1x nm-Bereich und wurde bei Samsung mit der 840 EVO erreicht. Mit der SSD 850 PRO ist Samsung daher auf den sogenannten 3D-Speicher umgestiegen.

Das Konzept dahinter ist einfach zu verstehen: 2D-Speicherzellen sind, wie der Name suggeriert, in einer Ebene angeordnet. Möchte man mehr Speicherzellen, erhöht sich zwangsweise die Grundfläche des Chips. Diese ist jedoch beschränkt, sodass 2D-Speicher irgendwann nicht mehr wachsen kann. Bei 3D-Speicher kann man sich eine Speicherzelle als einen Zylinder vorstellen, so wie es auf der folgenden Grafik schematisch angedeutet ist:

Der schematische Aufbau einer einzelnen 3D-Speicherzelle. (Quelle: Samsung)

Diese Zylinder können nun übereinander gestapelt werden, sodass der Speicher auch in die Höhe wachsen kann, während die Grundfläche gleich bleibt. Auf diese Weise kann die Speicherdichte nahezu beliebig erhöht werden. Der bei der Samsung SSD 850 EVO zum Einsatz kommende 3D-Speicher besitzt beispielsweise 32 Schichten und speichert 3 Bit pro Zelle (TLC). Angaben zur Strukturgröße von 3D-Speicher gibt es leider nicht, Samsung verspricht für seinen eigenen 3D TLC-Speicher jedoch eine Haltbarkeit im Bereich von 2D MLC-Speicher. 3D-Speicher besitzt neben einer höheren Haltbarkeit auch viele weitere Vorteile wie eine höhere Performance und einen niedrigeren Energieverbrauch, ist technisch allerdings sehr anspruchsvoll, weswegen es noch viele SSDs mit klassischem 2D-Speicher gibt. Samsung setzt bei allen Consumer-SSDs inzwischen auf 3D-Speicher.

 

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Kommentare (43)

#34
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Zitat pinki;24216484
Und mal im ernst, es ist nur schwer zu glauben das eine SSD die recht einfache test scenarien wie AS SSD [U]usw[/U] absolut nicht berauschend erledigt, in keiner Disziplin auch nur wenigstens am Mittelfeld kratzt, im PC Mark dann plötzlich ganz vorn dabei ist, es sei denn es wurde eben auf genau dieses spezielle schema "PCMark" optimiert.

Du redest sicher von der Toshiba Q300 Pro. Mal abgesehen davon, dass die QD64-Werte für die Alltagsperformance sowieso irrelevant sind - hat sich doch auch ein Nutzer entsprechend geäußert:
http://www.hardwareluxx.de/community/f227/toshiba-q300-pro-ssd-mit-256gb-im-test-1091108.html#post23994339

Übrigens schneidet die Q300 Pro auch beim Kopierbenchmark hervorragend ab, bei den sequenziellen Transferraten sättigt sie wie jede andere schnelle SSD das Interface. Offensichtlich setzt dich die gefühlte Leistung einer SSD nicht nur aus den 4K-Random-Werten zusammen. Wenn es so wäre, könnte man sich alle anderen Tests ja auch tatsächlich sparen. Ansonsten würde ich mir dann mal Beweise oder mindestens Indizien dafür wünschen, dass Hersteller bei PCMark schummeln. Bisher gibt es darauf nämlich nicht den geringsten Hinweis, außer dein Bauchgefühl.
#35
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Macht doch mal den Test den ich im Post #34 vorgeschlagen habe, der ist ja schnell gemacht. Dann wüsste man schnell wer da schummelt.
#36
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Wie gesagt, es dürfte recht einfach sein, auf tests die immer gleich ab laufen und deren somit festen schemas, die mittlerweile in jedem Review genutzt werden, hin zu optimieren.

Es ist und bleibt für mich seltsam das eine SSD die in IOmeter und den einfach ablaufenden tests von AS SSD, nahezu durchfällt, in den Kopier Benches (AS SSD) und in PC Mark dann plötzlich bei den ganz großen mit spielt.
für mein persönliches bauchgefühl passt nunmal so gar nicht zu den restlichen Ergebnissen, wo kommt die plötzliche Leistung her.
Da würde der ein oder andere tatsächlich Reale test licht ins dunkel bringen oder vielleicht sogar solche Real höheren Leistungen bestätigen da auf ein schema das kein Hersteller kennt, dieser auch nicht hin optimieren kann.
Warum diese Abneigung gegen solche tatsächlich realen tests, so ein mega aufwand ist das nun echt nicht (es sei denn man macht solche tests mit mehreren SSD´s hintereinander dann wird's tatsächlich stressig)
#37
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Südhessen
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Zitat Holt;24218454
Macht doch mal den Test den ich im Post #34 vorgeschlagen habe, der ist ja schnell gemacht. Dann wüsste man schnell wer da schummelt.

Ja, den Test werde ich in Zukunft eventuell mit aufnehmen.

Zitat pinki;24218635
Es ist und bleibt für mich seltsam das eine SSD die in IOmeter und den einfach ablaufenden tests von AS SSD, nahezu durchfällt, in den Kopier Benches (AS SSD) und in PC Mark dann plötzlich bei den ganz großen mit spielt.

Du übertreibst hier einfach ziemlich. Die Q300 Pro ist sicher nicht "durchgefallen".

Zitat pinki;24218635
für mein persönliches bauchgefühl passt nunmal so gar nicht zu den restlichen Ergebnissen, wo kommt die plötzliche Leistung her.

Ich habe es schon geschrieben: Alltagsleistung ist wohl einfach mehr als 4K-Random-Werte.

Zitat pinki;24218635
Warum diese Abneigung gegen solche tatsächlich realen tests

Weil sie Augenwischerei sind und etwas vergaukeln, das nicht existiert (Objektivität).
#38
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Zitat DoubleJ;24219803

Weil sie Augenwischerei sind und etwas vergaukeln, das nicht existiert (Objektivität).


Was natürlich so gar nicht in gleichem maße wenn nicht sogar noch mehr auf AS SSD, IOMeter, PCMark und nahezu jeden anderen synthetischen benchmark zu trifft ;)
Eigenartiges argument

Ich frage mich ja was dir die Sicherheit gibt das eure synthetischen tests und deren großen zahlen am ende, keine Augenwischerei sind erst recht wenn zb im falle der Q300 plötzlich massig Leistung vorhanden ist die anscheinend kein anderer Benchmark messen kann.
Ey, die Lösung ist doch ganz einfach, werft alle anderen Benchmarks raus und bleibt nur beim PC Mark denn anscheinend ist der ja der einzige der dann keinen Müll verzapft (Achtung Ironie), denn der test der Q300 zeigt nach deiner Argumentation ja dann ganz deutlich, die Ergebnisse von AS SSD und IOMeter sind es denen man Augenwischerei unterstellen muss
#39
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Südhessen
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Zitat pinki;24221702
erst recht wenn zb im falle der Q300 plötzlich massig Leistung vorhanden ist die anscheinend kein anderer Benchmark messen kann.

Ich muss meine Antwort darauf jetzt nicht noch ein drittes Mal wiedergeben, oder? :)
#40
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Allgäu
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offensichtlich muss ich es ja auch..... Stichwort Optimierung auf das PC Mark schema (ich wiederhole mich, festes immer gleiches schema, immer gleiche tests immer gleiche Reihenfolge, immer alles gleich, eben schema A,B,C, wie die dicken Ami Schlitten, glänzen auf dem Papier mit massig Hubraum und massig PS, nur kurven fahren ist halt ein problem ;) ), ohne echte real tests/vergleiche wirst du das durch blose Theorien (deine Meinung ist nur eine Theorie da du eine Optimierung auf PC Mark nicht wiederlegen kannst) kaum belegen können.
Mit autos werden doch tatsächlich auch reale tests gemacht die vom test schema der Hersteller eigenem Teststrecke gewaltig abweichen, Stichwort verbrauch der halt real auch weit von dem abweicht was der Hersteller angibt und vielleicht sogar in seinen tests (schema A,B,C ;) ) halbwegs zutrifft, unter Realen Bedingungen aber nie erreicht wird, eben diese optimalen vorraussetzungen die es so nie gibt, so wenig wie es das PC Mark schema real gibt denn die punkte vergabe der einzellnen tests in PC Mark dürfte unterschiedlich gewichtet sein, woher weiß nun aber PC Mark welche Gewichtung zb das einlesen von images speziell bei mir hat oder bei dir, oder bei Mister X?
Verstehst du auf was ich hinaus will?

Also mache ich doch einfach 2-3 Real tests mit relativ verbreiteten Anwendungsarten und tue diese 2-3 Ergebnisse kund dann kann der User sich informieren über die Synthetischen Ergebnisse und die realen Ergebnisse und sich so ein viel klareres Bild machen wie eine SSD Performt wenn vom starren Schema abgewichen wird.
#41
Registriert seit: 15.02.2011

Matrose
Beiträge: 16
hi
die diskussion hier erinnert mich an die diskussionen bzgl. schnellem oder langsamem ram. das sind die unterschied auch nur im unteren einstellligen prozentbereich und kaum bis nicht spürbar.
trotzdem schwören viele auf schnellen ram und empfehlen ihn auch entsprechend bei zusammenstellungen.
ich zB käme nie auf die idee für hochgetaktetetn ram mehr geld auszugeben als für standard ram. ich würde dann eher die menge erhöhen. allerding kommt mir eine langsame ssd wie sandisk nicht ins haus, hier muss es eine samsung sein.
fakt ist doch dass es immer eine kette ist, die wie schon richtig beschrieben auch von cpu, kernanzahl, takt und nicht zuletzt anwendungsfall abhängt. je mehr komponenten hier bremsen umso schlechter/spürbarer/verzögerter.
richtig ist auch, dass jeder der auf ein schnelles system aus ist wohl kaum immer zur langsamsten technologie/komponente greiffen wird, das wäre nicht zielführend. ob die high-end produkte die meist nur geringfügig besser sind aber den meist horenden mehrpreis rechtfertigen läßt sich wohl nur im produktiveinsatz messen bzw. vergleichen.
mfg
FB
#42
Registriert seit: 05.07.2010

Admiral
Beiträge: 12584
Es gibt auch bei SSDs eben einen Punkt wo man für einen recht guten Preis eine sehr anständige Performance bekommen, da liegt die 850 Evo und teils noch die Crucial BX100, die nun leider ausläuft und schon teils knapp und teurer geworden ist. Darunter geht man meist für wenig Einsparung viele Kompromisse ein die sich beim Kauf einer einzelnen SSD für die eigene Nutzung meist nicht lohnen. Da gibt es auch mal Ausnahmen, die SanDisk Ultra II in 960GB ist/war teils 30% günstiger als die 850 Evo 1TB und ist nicht so schlecht, dass man sie nicht auch nehmen könnte, wenn eben der Preis stimmt. Bei den kleineren Kapazitäten sieht das schon anderes aus, da spart man mit der Ultra II einfach zu wenig im Vergleich zu deutlich besseren 850 Evo.

Dann gibt es eben die neuen, schnellen nativen PCIe SSD, von denen nur die Intel 750 und die 950 Pro empfehlenswert sind, die anderen sind entweder OEM oder langsamer ohne billiger zu sein. Da gilt wie eigentlich immer im Leben, dass man für die letzten Prozente an Leistung überproportional viel bezahlen muss. Für diese SSDs braucht man auch das passende System und sollte nicht meinen mit einer Aufrüstung von einer guten SATA SSD dann wieder so einen Schub wie beim Wechsel von der HDD auf die SSD erleben zu können. Die PCIe SSDs machen lahmen Rechner keine flotten Beine, die sind die Krönung auf dem schon ohne Kompromisse zusammengestellen System mit einem aktuellen, schnellen i7 oder Xeon drin. Wer sich überlegen muss bei welcher Komponente er sparen muss um sie die PCIe SSD leisten zu können, der sollte schon eine ungewöhnlich Disk-I/O intensive Anwendung haben, damit das Sinn macht.

Das wird sich aber auch noch ändern, die Preise der PCIe SSDs werden auch fallen, wenn es auf dem Markt erst mehr Wettbewerb gibt und die Technik etabliertert ist. Noch sind die Aufpreise aber hoch und diese SSDs damit klar etwas für Enthusiasten die auch sonst viel Geld in gute, aktuelle HW investiert haben.
#43
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Registriert seit: 01.03.2009
BW
Hauptgefreiter
Beiträge: 235
Gibt es schon informationen wann die ersten Consumer SSD´s mit Micron 3D-NAND erscheinen sollen ?
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