SSDs sind immer schneller als Festplatten – Fakt oder Fiktion?

Um SSDs auf Flash-Basis ranken sich viele Mythen. Wir überprüfen detailliert die Behauptung, dass SSDs immer schneller als Festplatten sind.

SSDs und SSD-Storage-Arrays werden immer populärer. Viel von dieser Popularität stammt vom Bedürfnis nach höherer Geschwindigkeit oder zumindest vom gefühlten Bedürfnis nach mehr Geschwindigkeit. Die allgemeine Wahrnehmung von SSD-Storage ist die, dass Flash-SSDs immer schneller sind als Festplattenspeicher. Aber stimmt das wirklich? Der folgende Artikel ist der erste aus einer Reihe, die sich näher mit den Mythen zu SSDs beschäftigt.

Die weit verbreitetet Behauptung lautet: „SSDs sind immer schneller als Festplatten“

So sagte die Mehrheit der IT-Beschäftigten in einer Umfrage, dass diese Aussage „wahr“ ist. Das Problem dabei ist, wie genau „immer“ definiert wird.

Fakt ist aber: SSD-Storage ist nicht immer schneller als Festplatten.

Das Ergebnis hängt vom jeweiligen Workload ab sowie vom Alter der SSDs und davon, wie und zu welchem Zeitpunkt SSD-Daten überschrieben werden.

Flash-SSDs erreichen mit unter 100 µs geringere Latenzzeiten (Latency) bei zufälligen Zugriffen (Random Access) und Lese-Zugriffen (Read Access) als Festplatten. Bei HDDs beträgt die Latenzzeit zwischen 2,9 ms und 12 ms. Damit sind Flash-SSDs bestens geeignet für Anwendungen, bei denen es auf schnellen und häufigen Zugriff ankommt. Systeme, die mit SSDs ausgestattet sind, reagieren außerdem rascher beim Booten von Betriebssystemen und beim Starten von Anwendungen.

Die Performance von SSD-Storage nimmt allerdings merklich wegen eines Effekts ab, der Write Amplification genannt wird. Da Flash-Speicher immer Blockweise beschrieben wird, ergibt sich hierbei bei kleinen Datenmengen pro Block eine ungünstige Schreibrate. Da immer ganze Blöcke beschrieben werden müssen, reduziert dies außerdem die Lebensdauer. Die Leistungseinbußen nehmen mit dem Alter des Laufwerks und dem Füllgrad zu. Wear Leveling, das Umverteilen von Blöcken, erhöht die Lebensdauer der SSDs und mildert die abnehmende Leistungskurve etwas. Die abnehmende Leistungskurve hängt wesentlich von dem Flash-NAND-Typ ab, der zum Einsatz kommt. Teurere SLC-Flash-SSDs (Single-Level Cell) schneiden deutlich besser ab als eMLC- (Enterprise Multi-Level Cell), MLC- (Multi-Level Cell) oder TLC-SSDs (Triple-Level Cell).

Die Geschwindigkeit von Festplatten nimmt ebenfalls mit der Zeit ab, hervorgerufen durch die Datenfragmentierung auf den Platten. So muss jedes Fragment gesucht werden, um den gesamten Datensatz lesen zu können: Je mehr die Fragmentierung zunimmt, desto mehr erhöht sich deshalb auch die Latenzzeit. Die Datenfragmentierung auf Festplatten kann mit relativ einfachen Bordmitteln angehen, um so die Geschwindigkeit wieder zu erhöhen. Bei SSDs muss man den Verlangsamungsprozess durch Write Amplification als unvermeidbaren Flash-Prozess hinnehmen. Mit zunehmendem Alter wird sich die Performance von Flash-SSDs der von Festplatten angleichen oder sogar schlechter werden.

Das Schreiben von Daten gehört nicht gerade zu den Stärken von Flash-SSDs. Der Unterschied zu den klassischen Festplatten besteht darin, dass alle Schreibvorgänge nur auf bisher nicht benutzten oder auf gelöschten Speicherblöcken („Pages“ in dem „Dialekt“ von Flash NAND) durchgeführt werden können. Ein simples Überschreiben der Daten ist nicht möglich. Bei Festplatten können dagegen alle Blöcke überschrieben werden, ohne dass Daten zuvor gelöscht sein müssen. Die positive Seite von Flash besteht hier darin, dass Daten auf diesen Medien geschützter sind, weil sie nicht so ohne weiteres wie auf Festplatten gelöscht beziehungsweise überschrieben werden können. Das kann sich bei der sicheren Datenlöschung aber auch als Nachteil erweisen.

SSD-Controllern kommt eine besondere Aufgabe zu: Sie versuchen die Performance zu erhöhen, indem sie im Hintergrund für Ordnung sorgen – was manchmal auch als „Einsammeln von Müll“ (garbage collection) bezeichnet wird. Die Methoden hierfür unterscheiden sich. Die gängigste besteht darin, das Flash-Volumen um 20 bis 50 Prozent zu erhöhen. Das Ausmaß dieser Über-Provisionierung (Over Provisioning) hängt von dem jeweiligen Hersteller und davon ab, ob es sich um SLC-, MLC- oder eMLC-Flash handelt.

Über-Provisionierung bedeutet konkret, dass eine SSD mit einer deklarierten Kapazität von beispielsweise 200 Terabyte im Endeffekt über 256 Terabyte verfügen kann. Nur die 200 Terabyte sind jeweils sichtbar und zugänglich. Die überzählige Kapazität wird vom Controller im Hintergrund zum „Aufräumen“ benutzt. So können Pages mit obsoleten Daten (Blöcken, die in anderen Pages geändert oder gespeichert wurden) gelöscht und damit der Gesamtkapazität wieder zur Verfügung gestellt werden.

Ein anderes Problem kommt hinzu: Das SSD-Volumen „schrumpft“ mit der Zeit, da einzelne NAND-Zellen verschleißen. Schließlich kann die verfügbare Kapazität bis zu dem Punkt sinken, zu dem Schreib-Vorgänge auf neue Löschvorgänge warten müssen. Die Schreibgeschwindigkeit bricht dadurch dramatisch ein.

Die Schreibgeschwindigkeit bei den teureren SLC-SSDs kommt allgemein der Lese-Performance sehr nahe. Das ist aber bei den anderen SSD-Varianten wie eMLC, MLC und besonders bei TLC keineswegs so, bei denen das Schreiben von Daten deutlich langsamer als das Lesen ist. Der Vorteil von Festplatten ist dem gegenüber, dass die Unterschiede zwischen Schreiben und Lesen nur verschwindend gering sind.

Artikel wurde zuletzt im Oktober 2013 aktualisiert

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