Alles über Solid-State-Laufwerke (SSD) – Ratgeber

Wissen Sie, was SSD ist? In diesem Beitrag stellt MiniTool SSD Strukturen, SSD Typen, SSD Vor- und Nachteile sowie verwandte Konzepte und Technologien der SSD Laufwerke vor.

Was ist SSD?

SSD ist abgekürzt für Solid State Drive, ist ein Speichergerät, das integrierte Schaltkreisbaugruppen als Speicher verwendet, um Daten zu speichern. Es besteht aus einer Steuereinheit, einer Speichereinheit (NAND-Flash-Chip oder DRAM-Chip), einer optionalen Cache- (oder Puffer-) Einheit und einer Schnittstelle.

Hauptsteuerchip

Jede SSD hat eine Steuereinheit (auch Master-Controller genannt), deren Kernkomponente ein Hauptsteuerchip ist. Der Master-Controller hat die folgenden zwei Funktionen:

• Verbindung der Speichereinheit mit der Schnittstelle, so dass die Daten an den Computer übertragen werden können.
• Verantwortlich für die Ausführung verschiedener Befehle innerhalb der SSD. Zum Beispiel: Lesen und Schreiben von Daten, Wear Leveling (WL), Bad Block Management, Fehlerkontrolle und Korrektur (ECC), Garbage Collection (GC) usw.

In einem Wort, die Qualität des Hauptsteuerchips gibt direkt die tatsächliche Benutzererfahrung und die Lebensdauer der SSD an.
Um die Lebensdauer von SSDs zu kennen, klicken Sie auf diesen Artikel: Wie Sie die Lebensdauer Ihrer SSD kennen und wie Sie die Lebensdauer erhöhen können.

Speicherchip

Im Allgemeinen können die Speicherchips in zwei Typen unterteilt werden: NAND-Flash-Chip und DRAM-Chip.

DRAM, kurz für Dynamic random-access memory, bietet eine schnellere Lese- und Schreibgeschwindigkeit als der NAND-Flash-Chip. Nach dem Ausschalten verliert DRAM jedoch Daten. Basierend auf den oben genannten Punkten wird DRAM normalerweise in Speicherbänken verwendet und nur wenige SSDs übernehmen es.

NAND-Flash ist eine nichtflüchtige Speichertechnologie, d. h. Daten können auch nach einem Stromausfall noch gespeichert werden. Aufgrund seiner Vorteile, wie geringer Stromverbrauch, niedriger Preis und gute Leistung, wird er häufig in SSDs verwendet.

NAND-Flash-Chips können in SLC (Single-Level-Cell)-Flash-Speicher, MLC (Multi-Level-Cell)-Flash-Speicher, TLC (Triple-Level-Cell) und QLC (Quad-Level-Cell)-NAND-Flash-Speicher unterteilt werden. Darüber hinaus kann der NAND-Flash-Chip auch in planaren NAND-Flash-Speicher und 3D NAND-Flash-Speicher unterteilt werden.

Puffer-Chip

Der Pufferchip steht neben dem Controller-Chip. Damit können SSDs Daten schneller verarbeiten. Um Kosten zu sparen, wird bei einigen billigen SSD-Lösungen jedoch auf den Pufferchip verzichtet, was die Leistung von SSDs mit Sicherheit verschlechtert.

Schnittstelle

Die Festplattenschnittstelle ist die Verbindung zwischen der Festplatte und dem Host-System, die zur Datenübertragung zwischen ihnen verwendet wird. Die Festplattenschnittstelle bestimmt die Verbindungsgeschwindigkeit zwischen der Festplatte und dem Computer.

Im Allgemeinen hat eine SSD die gleiche Schnittstellenspezifikation wie eine herkömmliche Festplatte. Zum Beispiel kann sie Schnittstellen wie SATA, mSATA, M.2 und U.2 haben. Diese Schnittstellen unterstützen das AHCI-Protokoll.

SSD hat jedoch auch eine Schnittstelle, die nur das NVMe-Protokoll unterstützt, d. h. PCIe.

Klicken Sie auf 3 SSD-Terminologien, die Sie beim Kauf von SSD-Laufwerken kennen müssen, um einige SSD-Terminologien zu erfahren.

SSD-Typen

SSDs können nach zwei Faktoren klassifiziert werden: Speicherchip (nämlich das Speichermedium) und Schnittstelle.

DRAM-basierte SSD und Flash-basierte SSD

Entsprechend dem Speichermedium können SSDs hauptsächlich in zwei Typen unterteilt werden: DRAM-basierte SSDs und Flash-basierte SSDs.

Die DRAM-basierte SSD nimmt DRAM als Speichermedium an. Sie zeichnet sich durch einen sehr schnellen Datenzugriff aus, im Allgemeinen weniger als 10 Mikrosekunden. Daher wird es in erster Linie zur Beschleunigung von Anwendungen verwendet, die ansonsten durch die Latenz von Flash-SSDs oder traditionellen HDDs ausgebremst würden.

Allerdings ist sie flüchtig und zum Schutz der Datensicherheit braucht sie eine unabhängige Stromversorgung , sie hat einen relativ engen Anwendungsbereich.

Die Flash-basierte SSD verwendet hauptsächlich nicht-flüchtigen NAND-Flash-Speicher. Im Vergleich zu DRAM zeichnet sich NAND-Flash durch niedrigere Kosten und die Fähigkeit aus, die Daten ohne konstante Stromversorgung zu behalten, was die Datenpersistenz durch plötzliche Stromausfälle gewährleistet.

SATA SSD, M.2 SSD, U.2 SSD, PCI-E SSD, NVMe SSD

Entsprechend der Schnittstelle können SSDs auch in SATA SSD, M.2 SSD, U.2 SSD, PCI-E SSD usw. unterteilt werden. NVMe SSD zeigt an, dass diese SSD das NVMe-Protokoll verwendet, das auch mit der Schnittstelle zusammenhängt. Bis zu einem gewissen Grad beeinflusst der Schnittstellentyp die Datenübertragungsrate der SSD.

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SSD gegenüber HDD

Vorteile einer SSD

Im Vergleich zu HDDs haben SSDs die folgenden Vorteile:

1. Schnellere Geschwindigkeit.Da SSD einen Flash-Speicher verwendet, ist die Lesegeschwindigkeit relativ schneller als die von herkömmlichen Festplatten. Außerdem gibt es bei SSD keinen Kopf, so dass die Suchzeit fast 0 ist.

2. Besserer Widerstand gegen physische Stöße.Jegliche physischen Ereignisse (wie Vibration, hohe Bewegungen oder Temperaturschwankungen) beeinträchtigen SSDs nicht im gleichen Maße wie HDDs, da es keine beweglichen Teile gibt, die kaputt gehen könnten.

3. Geringerer Stromverbrauch und geringere Wärmeentwicklung.Viele SSDs benötigen weniger Strom und produzieren weniger Wärme, was zu einer Verringerung des Stromverbrauchs führt, besonders bei Laptops, die zu Überhitzung neigen.

4. Keine Geräusche.Solid-State-Laufwerke haben keinen mechanischen Motor und Lüfter, daher liegt der Wert für das Arbeitsgeräusch bei 0 dB.

5. Weiterer Bereich der Arbeitstemperatur.Ein typisches Festplattenlaufwerk kann nur im Bereich von 5 bis 55 Grad Celsius arbeiten. Die meisten SSDs können jedoch innerhalb von -10 bis 70 Grad Celsius arbeiten.

6. Leicht zu transportieren.Im Vergleich zu einer herkömmlichen Festplatte ist eine SSD leichter.

Nachteile von SSD

SSDs haben auch Nachteile. Hier sind einige von ihnen aufgelistet.

1. Flash-SSDs haben begrenzte Schreibzyklen, was mit der Lebensdauer von SSDs zu tun hat. Die SLC-SSD hat 100.000 Schreibzyklen, während die allgemeine Einstiegs-SSD, die normalerweise MLC verwendet, nur 10.000 Schreibzyklen hat.

Wenn die Schreibzyklen aufgebraucht sind, wird die SSD theoretisch verschrottet. Daher ist die Lebensdauer der HDD theoretisch länger als die Lebensdauer der SSD. Tatsache ist jedoch, dass die SSD nach Erreichen der Schreibzyklusgrenze länger halten kann und dass die SSD weniger störanfällig ist als die HDD, da sie keine beweglichen Teile hat.

2. Die Solid-State Disk ist viel teurer in Gigabyte als die traditionelle mechanische Festplatte, so dass ein Upgrade auf eine SSD mit der gleichen GB-Kapazität zu erheblichen Kosten führen kann.

3. Kapazität.Aufgrund der hohen Kosten ist die Kapazität von SSDs normalerweise geringer als die von HDDs.

SSD verglichen mit HDD: Was ist der Unterschied?

Was ist der Unterschied zwischen einem Solid-State-Laufwerk und einer Festplatte? Welches soll für Ihren PC verwendet werden? Lesen Sie diesen Beitrag, um mehr über SSD vs. HDD zu erfahren.

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Verwandte Konzepte und Technologien 

1. Plane NAND und 3D NAND Technologie

Zunächst verwenden SSDs die planare NAND-Technologie. Mit der Weiterentwicklung der 2D-Planar-Flash-Speichertechnologie stößt der NAND-Flash-Speicher mit planarer Struktur jedoch an seine eigentliche Ausdehnungsgrenze, nachdem er die Ebene von 15nm erreicht hat.

In dieser Situation kommt die 3D-NAND-Technologie zum Einsatz. Bei dieser Technologie werden mehrere Schichten der Datenspeichereinheit vertikal gestapelt, was eine höhere Speicherkapazität auf kleinerem Raum ermöglicht. Mehr gestapelte Schichten bedeuten größere Speicherkapazität.

2. SLC, MLC, TLC und QLC

Zu Beginn verwenden die Hersteller in der Regel SLC. Später, um die Größe der Speicherzelle zu reduzieren und die Anzahl der Bits zu erhöhen, die in jeder einzelnen Speicherzelle gespeichert werden können, kommen MLC, TLC und QLC auf den Markt.

SLC bedeutet, dass jede Speichereinheit 1 Bit an Daten speichern kann; MLC bedeutet 2 Bits; TLC bedeutet 3 Bits und QLC bedeutet 4 Bits. Ein Beispiel: Ein gewöhnlicher Flash-Speicher (mit SLC) hat eine Kapazität von 128 GB; mit MLC hat er eine Kapazität von 256 GB; mit TLC hat er eine Kapazität von 384 GB; und mit QLC hat er eine Kapazität von 512 GB.

3. Wear-Leveling (WL)

Im Allgemeinen ist die Häufigkeit der Datenaktualisierung in NAND-Blöcken unterschiedlich: einige werden häufig aktualisiert, während andere nicht häufig aktualisiert werden. Offensichtlich werden die Blöcke, in denen die Daten häufig aktualisiert werden, schneller abgenutzt, was sich auf die SSD-Lebensdauer auswirkt.

Der Wear-Leveling Algorithmus ist in die Firmware des Master-Controllers integriert. Er zielt darauf ab, jeden Speicherblock in der Speichereinheit durchschnittlich zu verwenden, um zu vermeiden, dass einige „spezifische“ Speicherblöcke aufgrund von Überbeanspruchung schlechte Blöcke bilden.

4. Verwaltung schlechter Blöcke

Das sogenannte Bad-Block-Management umfasst die Methoden Skip Block und Reserve Block, die schlechte Blöcke erkennen und den Master-Controller anweisen, entweder schlechte Blöcke zu überspringen oder schlechte Blöcke durch reservierte gute Blöcke zu ersetzen. Diese Technologie gewährleistet Datensicherheit und SSD-Leistung.

5. Garbage Collection (GC)

Wenn Sie die Daten ändern, nachdem sie in Seiten gespeichert wurden, schreibt die SSD die Änderungen einfach in eine neue Seite und markiert die alte Seite, auf der die geänderten Daten gespeichert sind, als veraltete Seite. Um zu vermeiden, dass die SSD mit „stale pages“ (veraltete Seiten) gefüllt wird, kommt die Garbage Collection zum Einsatz.

Wenn die ungenutzten Seiten in der SSD weniger als eine bestimmte Menge werden, wird die sogenannte Garbage Collection ausgelöst. Der Prozess ist wie folgt:

(1) Kopieren der gültigen Daten (einschließlich gelöschter Daten) in einen reservierten Block, wobei nur veraltete Daten im ursprünglichen Block verbleiben.

(2) Löschen des ursprünglichen Blocks, um einen neuen verfügbaren Block zu erhalten.

Dieser Prozess wird reservierte Blöcke überbeanspruchen und zusätzliche Lese- und Schreibvorgänge erzeugen, was die Lebensdauer der SSD beeinträchtigt und die SSD-Leistung verringert.

6. TRIM

Wenn Sie eine Datei löschen, löscht das Dateisystem sie nicht wirklich, sondern markiert nur die Dateianschrift als „gelöscht“. Die SSD kann die gelöschten Daten nicht als ungültige Daten identifizieren, bis das Betriebssystem einen TRIM-Befehl an die SSD sendet.

Der TRIM-Befehl teilt der SSD mit, welche Seiten nicht mehr für die Verwendung in Frage kommen und markiert sie als gelöschte Seiten. Nur auf diese Weise werden diese gelöschten Seiten (die gelöschte Daten enthalten) bei der Durchführung des GC-Prozesses im Originalblock belassen, was die GC-Effizienz verbessert und die Schreibverstärkung reduziert.

7. Überprovisionierung (OP)

Überprovisionierung bezieht sich auf die Kapazität, die der Anwender nicht bedienen kann. Die tatsächliche physikalische Flash-Kapazität umfasst die verfügbare Kapazität des Benutzers und das „Over-Provisioning“, was dazu dient, ungenutzte oder alternative Blöcke für GC, Bad Block Management und Wear-Leveling bereitzustellen. Daher kann OP die Schreibverstärkung reduzieren, die Leistung und SSD-Ausdauer verbessern.

8. Schreibverstärkung (WA)

Der Flash-Speicher muss gelöscht werden, bevor er beschrieben werden kann. Bei diesem Prozess werden Nutzdaten und Metadaten mehr als einmal verschoben oder neu geschrieben. Daher ist die tatsächliche Menge an Informationen, die physisch in den Flash-Speicher geschrieben wird, ein Vielfaches der logischen Menge, die geschrieben werden soll.

Dieser Multiplikationseffekt, nämlich die Schreibverstärkung, erhöht die Anzahl der erforderlichen Schreibvorgänge und verkürzt die Lebensdauer der SSD. Die erhöhten Schreibvorgänge verbrauchen auch die Bandbreite zum Flash-Speicher, was die zufällige Schreibleistung auf der SSD reduziert.

Viele Faktoren beeinflussen die WA einer SSD. Hier sind einige Beispiele:

(1) Garbage Collection erhöht die Schreibverstärkung, aber sie erhöht auch die SSD-Geschwindigkeit.

(2) Over-Provisioning kann die Schreibverstärkung verringern. Je größer die OP, desto geringer die Schreibverstärkung.

(3) Das Einschalten der TRIM-Anweisung kann die Schreibverstärkung verringern.

(4) Wenn TRIM eingeschaltet ist, ist die Schreibverstärkung umso geringer, je größer der ungenutzte Raum der verfügbaren Kapazität des Benutzers ist.

(5) Sequentielles Schreiben kann die Schreibverstärkung verringern, während zufälliges Schreiben die Schreibverstärkung stark erhöht.

(6) Durch Verschleißausgleich (Wear-leveling) wird die Schreibverstärkung erhöht.