Grundlagen

Flash-Storage / SSD

SSDs haben sich längst vom Luxusartikel zum Commodity-Produkt gewandelt. Da ist es umso praktischer, dass sich Server mit wenigen Handgriffen um die flotten Speichermedien im 2,5 Zoll-Format erweitern lassen. Am Markt tummelt sich eine Vielzahl von Anbietern, die sich mit ihren Produkten in Kapazitäten zwischen 120 und 960 GByte sowohl an Privatnutzer als auch an Unternehmen richten.
Im KMU-Bereich und hier speziell auf x86/x64-Server kommen primär 2,5 Zoll-Festwertspeicher mit SATA 3.0-Schnittstelle zum Einsatz. Hier stellen derzeit Geschwindigkeiten von etwa 550 MByte/s beim sequenziellen Lesen beziehungsweise 100.000 IOPS (Input/Output Operations Per Second) beim Random Read die Obergrenze dar.

Wenn es auf eine deutlich erhöhte Performance ankommt, finden sich besonders zwei Ausprägungen an Flash-Speicher: 2,5 Zoll-SSDs mit SAS-Interface und Flash-Karten mit PCIe-Anschluss. Beide Varianten sind deutlich teurer als SATA-SSDs, was vor allem der klar höheren Performance geschuldet ist. SAS-Festwertspeicher erreichen rund die doppelte Geschwindigkeit einer SATA-SSD und PCIe-Flash kommt sogar auf über 400.000 IOPS. PCIe-Flash kann allerdings noch immer nicht alles, was eine SATA- oder SAS-SSD kann. So etwa ist das Booten von PCIe erst mit UEFI möglich.

Eine SSD besteht aus einem Controllerchip, mehreren Flash-Bausteinen und meist einem DRAM-Cache. Der Controller kann die Flash-Bausteine parallel ansprechen und somit den Datendurchsatz im Vergleich zu einem USB-Stick mit nur einem Flash-Baustein vervielfachen. In fast allen Festwertspeichern kommt heute NAND-Flash zum Einsatz, der im Vergleich zu NOR-Flash eine höhere Fertigungsdichte aufweist und daher auf weniger Platz mehr Speicherkapazität unterbringt.

Die kleinste Einheit im Flash-Chip einer SSD ist die Speicherzelle. Je nach Typ speichert eine einzelne
Speicherzelle ein oder mehrere Bits: SLC (Single Level Cell) speichert 1 Bit, MLC (Multi Level Cell) 2 Bits und TLC (Triple Level Cell) 3 Bits. Eine SLC unterscheidet zwei Ladungszustände, eine MLC vier und eine TLC acht. Die angelegte Spannung beim Schreiben auf eine Speicherzelle ist allerdings immer die gleiche – deshalb muss bei einer MLC für einen Schreibvorgang bis zu vier Mal Spannung angelegt werden, um in den höchsten Ladungszustand zu kommen. Bei einer SLC reichen maximal zwei solcher Vorgänge. Die Schreibperformance ist damit höher. TLCs erfordern bis zu acht Mal Spannung.

Bei jedem Anlegen von Spannung kommt es zu einer kleinen Abnützung der Isolationsschicht der Speicherzelle. Da für einen einzelnen Schreibvorgang auf eine MLC öfter Spannung angelegt wird als bei einer SLC, verträgt die MLC weniger Schreibvorgänge (sogenannte Program/Erase Cycles oder p/e-Zyklen). MLCs haben meist eine Lebensdauer um die 10.000 p/e-Zyklen, SLCs rund 100.000 p/e-Zyklen. Die TLC-Modelle bewegen sich auf einem viel niedrigerem Niveau von etwa 1000 p/e-Zyklen.

Daher dominierte SLC-NAND bis vor nicht allzu langer Zeit das SSD-Angebot zumindest für den professionellen Einsatz – allerdings auch zu einem deutlich höheren Anschaffungspreis. Wem es primär auf schnelle Leseraten ankommt, der ist auch mit MLC-NAND gut bedient. Zudem hat sich in den letzten Monaten und Jahren auf Seiten des Controllers einer MLC-SSD viel getan – durch Verbesserungen bei den verwendeten Algorithmen, erhöhten parallelen Zugriff und eine ausgebaute Fehlerkorrektur hält die MLC-SSD mit SATA-Schnittstelle verstärkt Einzug im Enterprise-Bereich.
29.07.2015/ln

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