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In Kooperation mit Kingston
Nicht nur in der Art der Anbindung und im Format unterscheiden sich SSDs erheblich, sondern auch hinsichtlich ihrer inneren Komponenten. Zu Beginn des SSD-Zeitalters gab es nur wenige Unterschiede zwischen den verwendeten Speichertechnologien, mittlerweile sind die Unterschiede jedoch immens.
(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 Herstellungskosten 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 Kingston DC600M mit einer Kapazität von 7,68 TB gibt der Speicherhersteller Kingston beispielsweise eine zu erwartende Schreibmenge von 14.020 TB an – also dem 1.825-fachen des Speichervolumens. Zumal selbst dann ein Ausfall nicht garantiert ist, in der Praxis werden bei Consumer-PCs zwar recht selten solche 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 167 solcher Schichten wie etwa bei der Kingston KC3000 befindet sich also die 167-fache Speichermenge auf derselben Grundfläche wie bei einer TLC-SSD mit 2D-NAND.
Was macht ein Cache und was ist ein SLC-Cache?
Ein wesentlicher Bestandteil von High-End-Speichermedien ist das Caching, das in zwei Arten unterschieden werden kann: den DRAM-Cache und den (Pseudo-)SLC-Cache.
Es ist wichtig, zwischen diesen beiden Arten von Caches zu unterscheiden. Eine SSD erhält beim DRAM-Cache neben ihrem nutzbaren NAND-Speicher auch einen DRAM-Speicher, der dem Speichercontroller zur Verfügung steht. Dieser Arbeitsspeicher wird üblicherweise mit einem Gigabyte pro Terabyte Gesamtspeicher dimensioniert und dient hauptsächlich dazu, die Mapping-Tabelle verfügbar zu halten. Selbst die schnellsten NAND-Speicher mit kürzeren Latenzen sind immer noch deutlich langsamer als dedizierter DRAM. Der Controller kann somit wichtige Speicherinformationen schneller aus dem DRAM beziehen, statt den "langsamen" Weg über den NAND nehmen zu müssen.
Obwohl moderner Flash-Speicher auch als TLC-NAND extrem hohe Transferraten bietet, reicht dies nicht aus, um ein modernes PCIe-Interface voll auszuschöpfen. Um die Transferraten zu maximieren, bietet die SSD je nach Gesamtgröße einen modellspezifischen SLC-Cache. In diesem Modus werden alle ankommenden Daten verschwenderisch, aber maximal schnell in die Flashmodule der SSD geschrieben. Erst wenn auch die Kapazität des SLC-Cache erschöpft ist, werden die eigentlichen TLC-Speicherzyklen ausgeführt. Ist die SSD fast vollständig gefüllt, muss auf den Boost verzichtet werden. Es lässt sich ohnehin nicht mehr viel schreiben.
SSD-Lebensdauer - was sind TBW und MTBF?
Die eingesetzte 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 Kingston DC600M mit einer Kapazität von 7,68 TB besitzt laut Datenblatt beispielsweise eine TBW von 14,02 Petabyte. Der Hersteller gibt also an, dass mindestens 14.020 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 dieser Schwelle 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.
Es mag zwar für eine professionelle SSD wie die Kingston DC600M SSD noch normal erscheinen, aber mittlerweile sind auch typische Consumer-SSDs mit hoher Haltbarkeit ausgestattet. Ein einfaches Beispiel dient zur Veranschaulichung: Selbst eine eher preiswerte SSD wie die Kingston KC3000 mit einer Kapazität von 1 TB und einer TBW-Angabe von 800 TB bringt ein gutes Durchhaltevermögen mit sich. Zwar sollten dabei TBW-Angaben gerade aus Consumer- und Enterprise-Serien nicht unbedingt 1:1 verglichen werden, da hier verschiedene Berechnungen der JEDEC-Workloads (Client / Enterprise JESD219A) zur Anwendungen kommen und den jeweiligen Einsatz möglichst praxisnah abbilden.
Wenn 20 GB pro Tag auf der SSD bewegt werden, kann das Modell theoretisch für fast 110 Jahre genutzt werden. Auch bei täglicher Belastung durch 400 GB auf einer SSD treten selbst bei Langzeiteinsatz innerhalb von 5 Jahren keine Probleme auf. Es zeigt sich also, dass es für Power-User nicht so schnell zu Problemen bezüglich der "Total bytes to be written" kommt. Im Server-Einsatz kann dies natürlich anders aussehen, da die Anwendungsprofile hier deutlich abweichen können. Jedoch gibt es auch hierfür optimierte SSD-Lösungen.
Neben der TBW wird auch häufig der MTBF-Wert im Zusammenhang mit der Langlebigkeit einer SSD genannt. Dabei handelt es sich um die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Produktfamilie, welche in Zuverlässigkeitstests der Hersteller nachgewiesen wurden.
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