Seite 4: Speichertechnologien und mehr

In Kooperation mit WD

Aber nicht nur in der Art der Anbindung und ihrem generellen Format unterscheiden sich SSDs erheblich. Auch unter der Haube gibt es große Unterschiede zwischen den verschiedenen Laufwerken. Gab es zum Beginn des SSD-Zeitalters nur wenige Unterschiede zwischen den genutzten Speichertechnologien, gehe

(Pseudo-)SLC, MLC und TLC - was ist das eigentlich?

Liest man sich in Datenblätter und Reviews zu aktuellen SSDs ein wenig ein, stellt man schnell fest, dass unterschiedliche Speichertechnologien am Markt verfügbar sind und mal mehr, mal weniger offensiv beworben werden. SLC, MLC, TLC, QLC und 3D-NAND sind dabei die Begrifflichkeiten, die einem immer wieder begegnen. Die ersten vier Abkürzungen geben dabei an, wie viele Bits in einer Speicherzelle beschrieben werden. Bei Single Level Cells sind es genau ein Bit, bei Multi Level Cell (MLC) zwei, bei Triple Level Cell (TLC) drei – und oh Wunder: bei Quadruple Level Cells (QLC) genau vier Bits. Genau betrachtet beschreibt MLC alle Technologien außer SLC, was meist als 2-Bit-MLC oder eben 3-Bit-MLC gekennzeichnet wird.

Kennzeichen aller genannten Arten ist die Eigenschaft, Bits in eine Speicherzelle zu schreiben, um so die Speicherdichte zu verändern. Logischerweise braucht dieselbe Speichermenge als SLC mehr Platz als TLC oder QLC, was wiederum auf die Herstellkosten und damit die Endkundenpreise Auswirkungen hat.

Doch die Nachteile einer höheren Speicherdichte sind offensichtlich. Zunächst muss sich vergegenwärtigt werden, dass zum Speichern von Zuständen Elektronen "geschrieben" werden. Wird also in einer Zelle per SLC ein Wert gespeichert, gibt es genau 2^1 Zustände: Spannung vorhanden - oder eben nicht. Für MLC gibt es bereits 2^2 Zustände, für TLC und QLC analog 2^3 und 2^4. Bei 16 verschiedenen Zuständen muss der verbaute Controller also wesentlich genauer programmieren und auch zuverlässiger auslesen als bei SLC. Dies hat zur Folge, dass die allgemeine Performance deutlich sinkt. Außerdem haben Speicherzellen keine unbegrenzte Lebensdauer, werden sie also häufiger benutzt und dichter beschrieben, steigt das Ausfallrisiko.

Zeitgleich muss festgehalten werden, dass die Hersteller parallel zu den Techniken der Schreibdichte auch an ihren Chips und Controllern feilen. Dadurch sind die zu erwartenden Lebenszyklen zuletzt immer weiter gestiegen. Für die WD_Black SN750 mit 2 TB Kapazität gibt Western Digital beispielsweise eine zu erwartende Schreibmenge von 1.200 TB an – also dem 600-fachen des Speichervolumens. Zumal selbst dann ein Ausfall nicht garantiert ist, in der Praxis werden bei Consumer-PCs zwar recht selten diese Schreibmassen erreicht, doch sind Berichte über deutlich größere erreichte TBW-Angaben auch immer wieder im Forum zu lesen.

Gut gestapelt ist halb gewonnen

Als Konzept, um bei vergleichsweise größerer Datendichte dennoch auch Haltbarkeit und Performance zu erhöhen, entwickelten die SSD-Hersteller seit einigen Jahren den sogenannten 3D-NAND. Dieser, heute selbst bei Einsteiger-NVMe-SSDs verbaute Speicher „stapelt“ im Gegensatz zur 2D-Variante seine Speicherchips. Das Konzept dahinter ist simpel: 2D-Speicherzellen sind in einer Ebene angeordnet. 

Bei 3D-Speicher kann man sich eine Speicherzelle hingegen als eine Art Block vorstellen, bei dem die „Layer“ aufeinander liegen. Bei beispielsweise 64 solcher Schichten wie etwa bei der WD_Black SN750 befindet sich also die 64-fache Speichermenge auf derselben Grundfläche wie bei einer TLC-SSD mit 2D-NAND. 

Was macht ein Cache und was ist ein SLC-Cache?

Eine weitere Möglichkeit, die Performance zu steigern, findet sich im sogenannten SLC-Caching. Damit eine SSD möglichst das Maximum an Geschwindigkeit des NVMe-Interfaces nutzen kann, besitzen HighEnd-SSDs wie die WD_Black SN750 einen DDR4-Cache mit 1 GB. Dort können Daten vorgehalten werden, die durch die Art des genutzten Speichers mit sehr hohen Transferraten abgerufen werden können. Im Verhältnis zur gesamten Speicherkapazität der SSD fällt ein solcher Cache aber recht klein aus.

Damit die Transferraten aber nicht bereits nach diesem Volumen einbrechen, bietet die SSD abhängig von ihrer Gesamtgröße weitere 12 GB (bei 1-TB-Kapazität) als sogenannten SLC-Cache. In diesem Modus schreibt die Western-Digital-SSD alle ankommenden Daten in der Art eines SLC-Speicher, also verschwenderisch, aber eben maximal schnell in die Flashmodule der genutzten SSD. Erst wenn auch die Kapazität der SSD erschöpft ist, werden die eigentlichen TLC-Speicherzyklen ausgeführt. Ist die SSD fast vollständig gefüllt, muss auf den Boost verzichtet werden – wobei in diesen Fällen der native DDR4-Cache meist ausreichen sollte.

SSD-Lebensdauer - was sind TBW und MTBF?

Die eingesetzten Speichertechnologie hängt elementar mit der Lebensdauer einer SSD zusammen. In den Spezifikationen taucht in diesem Zusammenhang oftmals der Wert "TBW" auf.

Hinter dieser zunächst kryptisch anmutenden Bezeichnung stecken die "Total bytes to be written". Eine WD_Black SN750 mit einer Kapazität von 1 TB besitzt laut Datenblatt beispielsweise eine TBW von 600 TB. Der Hersteller gibt also an, dass mindestens 600 TB in ihrer Lebensdauer auf die SSD geschrieben werden können. Wichtig ist dabei: Es handelt sich dabei um einen Minimalwert. Die SSD aus unserem Beispiel ist beim Erreichen von 600 TB nicht auf einmal defekt, sondern läuft in der Regel noch deutlich länger. Entsprechende Versuche haben wir bereits redaktionell nachgestellt, aber auch in unserem Forum gibt es bereits zahlreiche Erfahrungswerte, die zeigen, dass SSDs in der Regel sehr zuverlässig sind.

Dass eine SSD vom Schlage einer WD_Black SN750 ein gutes Durchhaltevermögen besitzt, zeigt eine einfache Beispielrechnung. Wer jeden Tag 20 GB auf der SSD bewegt, kann das Modell mehr als 80 Jahre lang nutzen. Selbst Nutzer, die ihrer SSD jeden Tag 400 GB zumuten, bekämen innerhalb von 5 Jahren keine Probleme. Man sieht also: Für Power-User kommt es so schnell nicht zu Problemen hinsichtlich der "Total bytes to be written". Anders kann es natürlich im Server-Einsatz aussehen, denn hier gibt es schließlich deutlich abweichende Anwendungsprofile. Aber auch dafür gibt es natürlich optimierte SSD-Lösungen.

Neben TBW taucht auch der Wert MTBF häufig im Zusammenhang mit dem Durchhalte-Vermögen einer SSD auf. Dabei handelt es sich um die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Produktfamilie, welche in Zuverlässigkeitstests der Hersteller nachgewiesen wurden.

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