Definition

Solid-State Drive (SSD)

Diese Definition ist Teil unseres Essential Guides: Flash Storage beschleunigt das Rechenzentrum

Eine SSD (Solid-State Drive oder Solid-State Disk) ist ein nichtflüchtiges (non-volatile) Speichergerät, das persistente Daten auf Solid-State Flash-Speicher speichert. SSD-Geräte enthalten Silizium-basierende Speicherchips als Speichermedien für das Schreiben und Lesen persistenter Daten, SSDs, auch bekannt als Flash-Drives oder Flash-Karten. SSD-Geräte werden in Steckplätze von Servern eingesetzt – man bezeichnet sie dann als Server-seitige Flash-Speicher – oder werden Teil eines unternehmenstauglichen Flash-Arrays.

Manchmal werden die Flash-Geräte auch als Solid-State-Festplatte bezeichnet, obwohl dieser Begriff missverständlich ist. Anders als eine Festplatte mit einem rotierenden Medium (HDD) enthält ein SSD keine mechanischen Teile. Eine traditionelle HDD umfasst eine rotierende Speicherscheibe mit einem Lese-/Schreibkopf an einem mechanischen Arm, dem Aktuator. Eine SSD dagegen setzt sich aus mehreren Halbleiterbausteinen zusammen, die als Festplatte organisiert sind. Sie verwendet integrierte Schaltkreise anstelle magnetischer oder optischer Speichermedien.

SSD-Hersteller

Der SSD-Markt wird von einer Handvoll großer Hersteller dominiert. Dazu gehören Intel, Micron, SK Hynix, Samsung, SanDisk, Seagate, Toshiba und Western Digital Corp. Micron, Samsung, Seagate und Toshiba stellen NAND-Flash-Chipsets her und verkaufen sie an SSD-Anbieter, gleichzeitig vermarkten sie selbst hergestellte SSDs unter eigener Marke.

Einsatzfelder von SSDs

Flash-Speichersysteme werden unterschiedlich genutzt. Die Entwicklung und der Einsatz von SSDs wurde durch Applikationen befördert, die höhere Anforderungen an die Ein-/Ausgabeleistung stellen. SSDs greifen schneller auf zufällig verteilte Daten zu und lesen schneller als konventionelle Festplatten. Deshalb passen sie gut für leseintensive und zufälligen Schreib-/Lesevorgängen.

Die geringere Verzögerung ergibt sich aus der Fähigkeit aller Flash-SSDs, Daten direkt und sofort aus jeder spezifischen Flash-Zelle auszulesen. Hochleistungsserver, Laptops, Desktops oder Anwendungen, die Informationen in Echtzeit oder echtzeitnah zur Verfügung stellen, können von Solid-State-Speichern profitieren.

Diese Charakteristiken machen Enterprise-SSDs dafür geeignet, Lesezugriffe von transaktionsintensiven Datenbanken zu übernehmen, um Überlastungen durch gleichzeitiges Booten in Virtual Desktop Infrastructures (VDI) zu verhindern. Weiter lässt sich SSD als lokaler Cache für „heiße Daten“ für externe Storage in einem Hybrid-Cloud-Szenario verwenden.

Solid-State-Speicher-Terminologie

Solid-State Drive (SSD)

SSD nennt man meist Solid-State-Speicher, der in Form einer Festplatte gepackt ist.

Single-Level Cell (SLC)

Dieser Flash-Typ speichert ein Bit in jeder Speicherzelle. Dieser Speichertyp ist am schnellsten, verlässlichsten, langlebigsten und teuersten von allen NAND-Speichertypen.

Multi-Level Cell (MLC)

Dieser NAND-Flash-Chip speichert zwei Bits pro Zelle. Er ist langsamer und weniger langlebig als SLC, aber auch viel billiger

Enterprise Multi-Level Cell (eMLC)

eMLC ist eine aufgepeppte Version von MLC-flash. Ein Controller und Software beseitigen einige der Schwächen von MLC. Heute Standard in Enterprise-SSD-Produkten

Triple-Level Cell (TLC)

TLC speichert drei Bits pro Speicherzelle und erhöht so erheblich die Speicherdichte. Softwaremechanismen beseitigen wie beim MLC die dadurch bedingten Schwächen und Anfälligkeiten.

PCI Express (PCIe)

PCIe ist ein Hochgeschwindigkeits-Server-Bus, der von diversen Server-basierenden SSD-Produkten verwendet wird.

Non-volatile Random Access Memory (NVRAM)

Dieser Hochgeschwindigkeitsspeicher ist so extrem schnell wie DRAM, hält aber die Daten auch ohne Stromfluss. NVRAM wird in einigen Flash-SSD-Speichersystemen verwendet.

 

SSD-Formate

Die Solid State Storage Initiative hat drei wichtige SSD-Formate für Unternehmenskunden definiert.
1. SSDs in der traditionellen HDD-Format, die in die entsprechenden Slots im System passen.

2. Solid-State-Karten mit Standard-Kartenformaten wie Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) und die auf einer Leiterplatte montiert werden.

3. Solid-State-Module in einem Dual In-Line Memory Modul (DIMM) oder einem Small Outline DIMM (SO-DIMM) können eine Standard-Festplattenschnittstelle wie Serial Advanced Technology Attachment (SATA) verwenden.

Arten nichtflüchtigen SSD-Speichers

NAND- unterscheidet sich von NOR-Flash-Speicher, der meist in Mobiltelefonen eingesetzt wird. SLC-Laufwerke speichern ein Datenbit pro Zelle des Flash-Mediums. MLC-basierende SSDs verdoppeln die Kapazität des Laufwerks, indem sie Daten in zwei Segmente schreiben. Neuere am Markt erhältliche SSDs, bekannt als Triple-Level Cell NAND-Flash (TLC), speichern drei Datenbits pro Flash-Zelle. TLC ist günstiger als SLC oder MLC und daher eine attraktive Möglichkeit für die Hersteller von Flash-Geräten für Endverbraucher.

Vor- und Nachteile von SSDs und HDDs im Vergleich

SSDs gelten im Allgemeinen als wesentlich schneller gegenüber sogar den schnellsten elektromechanischen Festplattenlaufwerken. Suchzeit und Verzögerung sind ebenfalls sehr viel geringer, zudem booten Systeme von SSDs erheblich schneller. Im Allgemeinen halten SSDs länger und sind leiser als HDDs, da es keine mechanischen Teile gibt, die brechen könnten oder sich auf- und abwärts bewegen. SSDs besitzen heute Softwaremechanismen gegen physikalisch bedingten Zellverschleiß (Wear Leveling), um ihre Lebensdauer zu erhöhen. Die Ermüdung einzelner Speicherzellen durch häufiges Löschen und Wiederbeschreiben wird vom Flash-Controller verhindert, der mittels eines Algorithmus die Daten so verteilt, dass Schreib-/Lesevorgänge alle Blöcke im Gerät ungefähr gleich belasten.

SSD-Geschichte - Einsatz in Unternehmen nimmt zu

Die frühesten SSDs wurden für Endkundengeräte entwickelt. Als erstes weit verbreitetes Gerät mit Flash-Speicher gilt Apples iPod, der 2005 auf den Markt kam.

EMC war der erste Hersteller, der SSDs in Speichersysteme für Unternehmen einbaute: Der Anbieter stattete seine Symmetrix-Disk-Arrays 2008 mit der Technologie aus, weitere Hybrid-Arrays folgten. Sie kombinierten die Flash-Laufwerke mit traditionellen Festplattenlaufwerken. Zunächst setzte man hybride Arrays hauptsächlich als Cache-Speicher ein, weil sie günstiger waren und kürzer hielten als HDDs.

Die ersten für kommerzielle Zwecke entwickelten SSDs wurden aus Enterprise-MLCs hergestellt, die mehr Schreibzyklen bewältigen als die einfachen MLCs, die in Systemen für Endkunden verwendet werden. Aktuelle SSDs für Unternehmen verwenden TLC-NAND-Flash.

SSDs aus 3D NAND sind der nächste Entwicklungsschritt. IBM, Samsung und Toshiba vermarkten diese Bausteine, bei denen Flash-Speicherzellen in vertikalen Schichten übereinander gestapelt werden.

All-Flash-Storage-Arrays

Nimbus Data, Pure Storage, Texas Memory Systems (IBM-Tochterunternehmen) und Violin Memory gehörten zu den Unternehmen, die All-Flash-Arrays am Markt etablierten. Sie basieren vollständig auf SSDs und ersetzen Festplatten. Der Erfolg von All-Flash-Startups brachte etablierte Hersteller dazu, ihre traditionellen Plattformen auf All-Flash umzurüsten. IBM brachte als erster großer Storage-Anbieter eine dedizierte Plattform auf All-Flash-Basis, das FlashSystem, auf den Markt. Sie basierte auf der Technologie der 2012 aufgekauften Texas Memory Systems. EMC kaufte ebenfalls 2012 XtremeIO und liefert nun ein All-Flash-System aus, das auf der Technologie des Neuerwerbs basiert. Dell und Hewlett Packard Enterprise (HPE) verkaufen All-Flash-versionen ihrer Arrays von Compellent beziehungsweise 3Par. EMC hat mittlerweile eine All-Flash-Strategie verkündet und bringt nur noch Systeme in All-Flash-Technologie heraus. NetApp kaufte sich mit SolidFire 2015 ein All-Flash-Array dazu.

Bis zum Jahr 2016 haben Dell, Pure, HPE, Kaminario und SolidFire Pläne bekanntgegeben, All-Flash-Systeme auszuliefern, die TLC-NAND-Laufwerke nutzen. TLC-SSDs haben eine größere Flash-Kapazität und sind billiger als MLC oder SLC, allerdings ist ihre Wahrscheinlichkeit größer, Bitfehler zu erzeugen, da sie acht Stati (drei Bits) innerhalb einer Zelle speichern.

Solid-state PCIe, NVM-Flash-Geräte

Solid-State-Flash-Laufwerke dienten traditionell dazu, Speicher mit Hilfe von Host Bus Adaptern und anderen Komponenten über die SATA-Schnittstelle an vernetzte Server anzubinden. Einige aktuelle Konzepte bei Server-basierten Flash-Speichern verwenden SSDs, die für die Installation in den PCIe-Steckplätzen der Server gedacht sind. Jede PCIe-fähige SSD kommuniziert dabei direkt mit einem Server-Hauptplatine über eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung, was letztlich die Überlastung von Ressourcen beseitigt und die Verzögerung verringert.

SSD, PCIe oder DIMM-Flash: Die richtige Wahl für Ihren Server

Bei der Auswahl einer Cache-Lösung brauchen Sie ein passendes Flash-Gerät, um optimalen Nutzen aus beidem zu ziehen. Nur eine sinnvolle Kombination aus Hard- und Software bildet schließlich erfolgreiche Lösung. Es gibt heute drei grundlegende Wahlmöglichkeiten für Server-seitigen Flash-Speicher:

  1. Solid-State Drives (SSDs): SSDs sind am einfachsten zu implementieren, aber sie leisten auch am wenigsten. SSDs sind Flash-Geräte im Format traditioneller Festplatten. Sie werden über SATA oder SAS angebunden und ermöglichen einen sehr kosteneffizienten ersten Schritt in die Solid-State-Welt. In vielen Umgebungen reicht die Leistungssteigerung durch eine SAS- oder SATA-SSD völlig aus.
  2. PCI Express (PCIe-)basierter Flash: PCIe-basierter Flashspeicher bildet die nächsthöhere Leistungsstufe. Diese Geräte haben meist einen größeren Durchsatz und schaffen mehr Ein-/Ausgaben pro Sekunde, ihr wirklicher Pluspunkt liegt aber in der wesentlich geringeren Verzögerung. Dazu kommen weitere Vorteile, unter anderem, dass sie keine Laufwerksschächte verbrauchen. Ihr Nachteil besteht darin, dass die meisten dieser Lösungen proprietäre Treiber brauchen und nur geringen Datenschutz bieten.
  3. Flash-Dual-Inline-Memory-Module (DIMMs): Flash-DIMMs verringern Verzögerungen weiter, sogar mehr als PCIe-Flashkarten, indem sie auch noch die Möglichkeit beseitigen, dass der PCIe-Bus verstopfen könnte. Aber wie PCIe-Flashkarten braucht man für sie spezielle Treiber und – das gilt nur für DIMMs – muss spezifische Einstellungen am DIMM-BIOS (Basic Input-Output-System) auf der Hauptplatine  vornehmen.

Eine weitere Form, Server mit Speicher auszurüsten ist der Einbau von Flash-Speicher in DIMM-Steckplätze auf der Hauptplatine, die sogenannte In-Memory-Storage. So eingebaute DIMMs beanspruchen nicht den PCIe-Controller und stehen nicht mit anderen Karten im Wettbewerb um Ressourcen. Deshalb verzögern sie den Datentransport noch weniger als PCIe-Flashkarten. Diablo Technologies wird dank seiner OEM-Partnerschaft mit SanDisk als führender Lieferant von DIMM-Karten betrachtet.

SSD-Anbieter entwickeln auch PCIe-Geräte passend zum sich gerade ausbreitenden Non-volatile-Memory-Express (NVMe)-Protokoll. Diese Gruppe von Spezifikationen arbeitet auf der Controllerebene. Die NVMe-Spezifikationen sollen explizit den Durchsatz von PCIe-Geräten erhöhen, indem sie den I/O-Protokollstapel optimieren und so die Verzögerung beseitigen, die  SAS- und SATA-basierende SSDs mit sich bringen.

Preisgestaltung bei SSDs

Historisch betrachtet, waren die Preise von SSDs bisher sehr viel höher als die konventioneller Festplatten. Durch verbesserte Produktionstechnik und höhere Chip-Kapazitäten sind jedoch die SSD-Preise gefallen, so dass nun Endkunden und Unternehmen SSDs als mögliche Alternative zu konventionellen Speichermedien wahrnehmen.

Hybride DRAM-Flash-Speicher

Durch Fortschritte bei der Produktion von SSDs und andere Verbesserungen bringt die Technologie inzwischen alle Voraussetzungen mit, um im Markt für nichtflüchtige Speicher eine größere Rolle zu spielen. Inzwischen tauchen neue Speicherkonfigurationen auf, die Flash und Server-DRAM kombinieren. Micron und Intel entwickeln ein Produkt für persistente Speicherung  unter der Marke 3D XPoint, das so schnell wie DRAM sein, aber dessen Preis zwischen dem von DRAM und NAND liegen soll. SanDisk und HPE arbeiten gemeinsam an einem ähnlichen Projekt. Sie entwickeln ReRam oder Resistive RAM. Diese Technologie ähnelt 3D-NAND-Flash, ist aber billiger produzierbar als DRAM. Diese hybriden Flash-Speichergeräte entstanden als Antwort darauf, dass DRAM die technischen Skalierungsgrenzen erreicht.

Ausblick

Immer mehr Unternehmen setzen Flash ein, da die Lebensdauer der Produkte gestiegen ist und die Preise gefallen sind. Experten streiten darüber, ob SSDs beginnen, traditionelle Festplatten in diversen Einsatzfeldern zu ersetzen, obwohl man davon ausgeht, dass Flash-Laufwerke und HDDs in vielen Unternehmen in absehbarer Zukunft nebeneinander existieren werden. So eignen sich SSDs zwar für Hochleistungs-Speicherlösungen, aber weniger für die langfristige Archivierung und die Datensicherung, für die man in der Regel Festplatten verwendet.

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Diese Definition wurde zuletzt im Mai 2016 aktualisiert

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