Maximale Langlebigkeit und Funktionalität NAND-Flash-Speicher und der technologische Fortschritt

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Fortschritte in der Flash-Technologie machen die Herstellung von SSDs möglich, die im Vergleich zur bisherigen 96-Layer-Technologie mit deutlich höherer Kapazität und verbesserter Leistung ausgestattet sind, ohne dass dabei Zuverlässigkeit oder Ausdauer beeinträchtigt werden.

In heutigen Geräten sind Flash-Speicher verbaut, die die Anforderungen an die Langlebigkeit für eine breite Palette von Anwendungen erfüllen. Ein wichtiger Faktor, denn die Lebensdauer von SSDs ist bei zweckgebundenen industriellen Systemanwendungen entscheidend, da diese Systeme naturgemäß sehr lange im Einsatz sind. Darüber hinaus bietet „High Layer Stacked Flash Memory“ außerdem einen Kostenvorteil, da sie bei gleichbleibendem Kosten-Nutzen-Verhältnis größere Kapazitäten ermöglicht.

Auch Kingston Technology hat früh erkannt, wie wichtig es ist, Kunden über den Verschleiß und die Zuverlässigkeit von SSDs aufzuklären und ihnen zu versichern, dass der Datenschutz dabei nicht auf der Strecke bleibt. Dazu startete das Unternehmen bereits mit der Einführung von SSDs eine globale, zwei Jahre andauernde Aufklärungskampagne, die durch die schnell voranschreitende Etablierung von SSDs in Client-basierten Systemen zusätzliche Aufmerksamkeit bekam und so einen beachtlichen Erfolg verbuchen konnte.

Mit der fortschreitenden Entwicklung von Flash-Speichern in den vergangenen Jahren wuchs mit jeder Generation die Befürchtung, dass der Zuwachs an Kapazität und Geschwindigkeit letztendlich auf Kosten von Langlebigkeit und Zuverlässigkeit einer SSD ging, da das NAND-Flash-Die mit jeder Generation schrumpfen sollte. Dieser Gedankengang ist richtig – und doch falsch. Wie kam es zu dieser Fehleinschätzung, und woran lässt sich eine zuverlässige und langlebige SSD erkennen?

Der Aufstieg der SSD-Technologie

Einer der frühesten Kritikpunkte, der aufkam, als SSD-Festplatten zu einer ernsthaften Alternative für klassische HDDs aufstiegen, war die Befürchtung, dass sie aufgrund der für Flash typischen Programmierung auf Zellebene eine wesentlich kürzere Lebensdauer haben würden. Anders gesagt: Je mehr Schreibvorgänge auf einer SSD getätigt werden, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit eines Geräteversagens. Diese Befürchtung sollte sich später als unbegründet erweisen, jedoch gab es schon früh Berichte darüber, dass SSDs zum „Bricken“ neigen würden, also einem plötzlichen, irreparablen Totalausfall. In einigen dieser Fälle bedeutete eine „verbrannte“ SSD den unweigerlichen Verlust aller Daten – ein Problem, das jedoch schnell durch Verbesserungen der SSD-Firmware behoben wurde.

Die ersten Mainstream-SSDs auf Flash-Basis wurden mit Single-Level-Cell- (SLC-) und Multi-Level-Cell-Flash-Technologie (MLC-) gebaut. Zu dieser Zeit hatte SLC eine Programm-/Löschzyklusbewertung von 100.000 Zyklen, MLC dagegen lediglich 5.000 Zyklen. SLC-Flash wurde aufgrund seiner hohen Lebensdauer hauptsächlich für SSDs in von Unternehmen betriebenen Serverumgebungen verwendet, während MLC hauptsächlich für den Einsatz in Client-Notebooks und Desktop-PCs vorgesehen war.

Nachdem jedoch Hersteller Millionen von SSDs ausliefern und Daten zu den Arbeitslasten der Nutzer gewinnen konnten, wurde die SSD-Abnutzung besser verstanden – und es stellte sich heraus, dass die SSDs der ersten Generation, die mit SLC- und MLC-Flash gebaut wurden, weit langlebiger waren, als für beide Anwendungssegmente erforderlich war. So wurde beispielsweise festgestellt, dass Client-SSDs, die MLC-Flash nur für typische Büroanwendungen und das Surfen im Internet verwenden, weit über 20 Jahre zuverlässig arbeiten und damit die Nutzungsdauer des Computers, in dem die SSD installiert ist, weit übertreffen können.

Die gleichen Analysen wurden für SSDs durchgeführt, die in Unternehmensumgebungen und herkömmlichen Servern verwendet wurden. Und obwohl sich die Arbeitslast eines Servers stark von der eines Clients unterschied, führte die zusätzliche „Ausdauer“ der SLC-Flash-SSDs ebenfalls zu einer deutlichen längeren Nutzungsdauer. Dies veranlasste die SSD-Hersteller, Flash-Speicher, der sowohl in Client- als auch in Unternehmens-SSDs verwendet wurde, neu zu bewerten.

Kosten vs. Langlebigkeit

Der verbaute Flash-Speicher macht 80 Prozent der Materialkosten einer SSD aus – und mit höherer gewünschter Lebensdauer steigt ebenso der Preis, da die Fertigungstechnologie entsprechend angepasst werden muss. Folgerichtig begannen die Hersteller damit, Geräte mit Blick auf die zu erwartenden Anwendungsbereiche zu designen und auf Langlebigkeit zu verzichten, wo diese nicht benötigt wird. Diese Designstrategie hat einen großen Kostenvorteil für den Endnutzer, da nicht für eine Lebensdauer bezahlt wird, die nicht benötigt wird.

Ein weiterer Aspekt der Zuverlässigkeit sind die Fortschritte in der SSD-Controller-Technologie. Alle SSDs sind mit einem hochentwickelten Flash-Controller ausgestattet, der Lese- und Schreibvorgänge auf dem Gerät, Verschleißausgleich und Fehlerkorrektur verwaltet. Flash-Controller verwenden proprietäre Firmware, die speziell für einen Flash-Speichertyp entwickelt wurde. Das bedeutet, dass der Firmware-Code für einen bestimmten Flash-Typ optimiert ist und so eine bessere Flash-Verwaltung und letztlich eine zuverlässigere SSD ermöglicht.

Heute sind sowohl SLC- als auch MLC-SSDs nur über eine begrenzte Anzahl von auf Nischenanwendungen fokussierten Anbietern mit entsprechend hohem Preisaufschlag erhältlich. Für Mainstream-Laptops, -Desktops und -Server verwenden die Hersteller Triple-Level-Cell- (TLC-) und – für Geräte der neuesten Generation – Quad-Level-Cell-Speicher (QLC-). TLC- und QLC-basierte SSDs bieten heute das beste Gleichgewicht zwischen Ausdauer, Zuverlässigkeit und Kosten für den Endkunden bei Client- und Unternehmensanwendungen. Anwender haben heute die Möglichkeit, aus einer breiten Palette von SSDs zu wählen, die den gewünschten Leistungs- und Ausdauerbereich mit einem nie dagewesenen Preisvorteil abdeckt.

TLC und QLC unter der Lupe

TLC-Flash ist eine Art NAND-Flash-Speicher, der drei Datenbits pro Zelle speichert, und der heute am häufigsten verwendete Flash-Speicher für SSDs, sowohl für Endkunden- als auch für unternehmensbezogene Anwendungen. TLC-SSDs eignen sich hervorragend für eine Vielzahl von Arbeitslasten, bei denen die Lese- und Schreibvorgänge auf dem Gerät relativ gleich sind, beispielsweise bei Consumer-PCs, Client-/Büro-PCs und sogar bei den meisten Mainstream-Server-Umgebungen.

QLC wiederum steht für „Quad Level Cell“, entsprechend werden vier Datenbits pro Zelle gespeichert. QLC-SSDs bieten in der Regel eine geringere Ausdauer als TLC-SSDs, allerdings zu einem niedrigeren Preis. Sie eignen sich hervorragend für einen höheren Kapazitätsbedarf und werden in eher lesezentrierten Anwendungen eingesetzt. QLC-SSDs können die Gesamtsystemkosten erheblich senken, da sie in der Regel zehn Prozent weniger kosten als TLC-SSDs.

Der Trend zu SSDs mit höherer Kapazität

Ähnlich wie bei HDDs steigen auch im SSD-Bereich die für ein Modell geringstmöglichen Kapazitäten, da sich die Flash-Speichertechnologie weiterentwickelt. Darüber hinaus existiert eine stetige Nachfrage nach möglichst großen Speicherplatzkapazitäten. Sowohl TLC- als auch QLC-basierte SSDs werden heute im Allgemeinen als verhältnismäßig preiswert angesehen. Für einige zweckgebundene Computeranwendungen kann diese höhere Kapazitätsgrenze für SSDs einen Vorteil für die Langlebigkeit haben. Sie können vom Nutzer entsprechend konfiguriert werden, indem die SSD einfach mit einem großen Reservebereich unterteilt wird. Die Branche nennt dies „Overprovisioning“. Dies ermöglicht es dem SSD-Controller, den Reservebereich für ausgemusterte Blöcke und einen effizienteren Verschleißausgleich zu nutzen und damit die individuelle Lebensdauer der SSD deutlich zu erhöhen.

Zusätzliche Zuverlässigkeitsmerkmale

Moderne Hardware-Speicherlösungen umfassen eine Vielzahl wichtiger Zuverlässigkeitsmerkmale für speziell entwickelte Anwendungsbereiche. Unternehmen, die eine Kombination aus maximaler Langlebigkeit und Funktionalität anstreben, sollten nach Laufwerken Ausschau halten, die wie beispielsweise Kingston-SSDs über die folgenden Merkmale verfügen:

• Thermische Drosselung: Ein Mechanismus zur thermischen Drosselung in der Firmware reduziert die Leistung des SSD, wenn sie ihre maximale Betriebstemperatur erreicht. Dies schützt das Laufwerk vor Ausfällen und, was noch wichtiger ist, vor dem Verlust von Nutzerdaten.

• Langlebigkeit: SSDs sind langlebiger als klassische Festplatten (HDDs), da sie keine beweglichen Teile haben, die sich abnutzen oder vorzeitig kaputt gehen können. Damit sind SSDs ideal für mobile Fahrzeuganwendungen und Systeme, die häufig von einem Ort zum anderen transportiert werden, oder generell für Anwendungsumgebungen, in denen es zu starken Stößen und Vibrationen kommen kann.

• Schutz vor plötzlichen Stromausfällen: SSDs sollten Firmware-Funktionen zum Schutz vor unerwarteten Stromausfällen enthalten. Plötzliche Stromausfälle sind in manchen Umgebungen unvermeidlich, und SSDs müssen über einen eingebauten Schutz verfügen, um sicherzustellen, dass sich das Laufwerk beim nächsten Stromzyklus wieder ordnungsgemäß erholen kann.

• 100-prozentige SSD-Tests: Hersteller wie Kingston testen am besten 100 Prozent der SSDs, die ihre Produktionslinie verlassen – bis zu dem Punkt, an dem sie Milliarden von Euro in Testgeräte investiert haben sollten, um ein Höchstmaß an Qualität und eine niedrige Ausfallrate zu gewährleisten.

* Der Autor: Christian Marhöfer, Regional Director DACH, Benelux and Nordics bei Kingston

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