Funktionsweise von Solid-State-Laufwerken

Seitdem sind Festplatten kleiner, geräumiger und glücklicherweise günstiger geworden. Beispielsweise bietet die Laptop-Festplatte Momentus von Seagate mit einem Formfaktor von nur 2,5 Zoll (6,4 Zentimeter) 750 Gigabyte Speicherplatz für weniger als 100 US-Dollar. Aber selbst mit fortschrittlichen Schutztechnologien kann das Momentus-Laufwerk, wie alle Festplatten, abstürzen und brennen, wodurch wertvolle Daten mitgenommen werden. Das liegt daran, dass Festplatten mechanische Teile haben, die ausfallen können. Lassen Sie einen Laptop fallen, und die Schreib-Lese-Köpfe können die sich drehenden Platten berühren. Dies führt fast immer zu schwerwiegenden Datenverlusten.

Glücklicherweise könnte eine neue Art von Computerlaufwerk Abstürze so obsolet machen wie Ihr Apple IIe. Es ist als Solid-State-Laufwerk oder SSD bekannt und verwendet Halbleiterchips, keine magnetischen Medien, um Daten zu speichern. Natürlich ist Ihr Computer bereits mit Chips ausgestattet. Das Motherboard enthält einige, die den Systemspeicher oder RAM Ihres Geräts beherbergen , in dem Informationen gespeichert und verarbeitet werden, wenn Ihr Computer läuft. Computertypen bezeichnen einen solchen Speicher als flüchtigen Speicher , da er verdunstet, sobald Ihr Computer die Stromversorgung verliert. Die in einem Solid-State-Laufwerk verwendeten Chips liefern einen nichtflüchtigen Speicher, was bedeutet, dass die Daten auch ohne Strom gespeichert bleiben. SSD-Chips befinden sich auch nicht auf dem Motherboard. Sie haben ihr eigenes Zuhause in einem anderen Teil des Computers. Tatsächlich könnten Sie die Festplatte Ihres Laptops entfernen und durch eine Solid-State-Festplatte ersetzen, ohne andere wichtige Komponenten zu beeinträchtigen.

Aber warum willst du das? Und wie genau würde das Laufwerk aussehen – eine grüne Leiterplatte oder eine Box aus gebürstetem Metall, die einer herkömmlichen Festplatte ähnelt? Wir werden diese Fragen auf den folgenden Seiten beantworten, aber bevor wir Ihrer Maschine ein neues Gesicht geben, lassen Sie uns ein paar Grundlagen der Informatik wiederholen.

1. Was ist ein Solid-State-Laufwerk?
2. Wie Solid-State-Laufwerke Daten speichern
3. Auf SSDs verkauft: Vorteile von Solid-State-Laufwerken
4. Nicht auf SSDs verkauft: Nachteile von Solid-State-Laufwerken
5. Anmerkung des Verfassers

In der Computersprache gibt es einen Unterschied zwischen Gedächtnis und Speicherung. Direktzugriffsspeicher oder RAM (oder einfach Speicher) enthält das Programm, das ein Computer ausführt, sowie alle Daten. Wie das Kurzzeitgedächtnis einer Person ist RAM flüchtig und benötigt Energie, um seine Arbeit zu erledigen. Der Speicher hingegen enthält alle Dinge Ihres digitalen Lebens – Apps, Dateien, Fotos und Musik. Es behält das Zeug, auch wenn der Strom abgeschaltet wird. Sowohl RAM als auch Speicher rühmen sich ihrer Kapazität basierend auf der Anzahl der Bytes, die sie aufnehmen können. Bei einem modernen Computer hat RAM normalerweise 4, 6 oder 8 Gigabyte. Die Speicherkapazität kann fast 100-mal größer sein – die Festplatte eines typischen Laptops kann beispielsweise 500 Gigabyte aufnehmen.

Hier wird es etwas klebrig. Einige Speichergeräte haben einen so genannten Flash-Speicher , ein verwirrender Begriff, der die Grenze zwischen RAM und Speicher verwischt. Geräte mit Flash-Speicher enthalten immer noch viele Informationen, und zwar unabhängig davon, ob das Gerät eingeschaltet ist oder nicht. Aber im Gegensatz zu Festplatten, die sich drehende Platten und plattenförmige Arme mit Schreib-/Leseköpfen enthalten, haben Flash-Speichergeräte keine mechanischen Teile. Sie bestehen aus Transistoren und anderen Komponenten, die Sie auf einem Computerchip finden würden. Infolgedessen genießen sie ein Label – Solid State – das für Geräte reserviert ist, die Halbleitereigenschaften nutzen.

Es gibt zwei Arten von Flash-Speichern: NOR und NAND. Beide enthalten Zellen – Transistoren – in einem Gitter, aber die Verdrahtung zwischen den Zellen unterscheidet sich. Beim NOR-Flash sind die Zellen parallel verdrahtet. Beim NAND-Flash sind die Zellen in Reihe geschaltet. Da NOR-Zellen mehr Drähte enthalten, sind sie größer und komplexer. NAND-Zellen benötigen weniger Drähte und können in größerer Dichte auf einem Chip gepackt werden. Infolgedessen ist NAND-Flash kostengünstiger und kann Daten viel schneller lesen und schreiben. Dies macht NAND-Flash zu einer idealen Speichertechnologie und erklärt, warum es der vorherrschende Speichertyp in Solid-State-Laufwerken ist. NOR-Flash ist ideal für Hochgeschwindigkeits-Nur-Lese-Anwendungen mit geringerer Dichte, wie z. B. in Codespeicherungsanwendungen.

Mit diesem Hintergrund können wir eine genauere Definition eines Solid-State-Laufwerks anbieten: Es ist ein Gerät, das NAND-Flash verwendet, um einen nichtflüchtigen, wiederbeschreibbaren Speicher bereitzustellen. In Computern kann ein Solid-State-Laufwerk als Speichergerät verwendet werden und das herkömmliche Festplattenlaufwerk ersetzen. Tatsächlich produzieren Hersteller SSDs mit Formen und Grundrissen, die HDDs ähneln, sodass die beiden Technologien austauschbar verwendet werden können. Aber hier enden die Gemeinsamkeiten. Wenn Sie die Hülle eines Solid-State-Laufwerks aufbrechen würden, würden Sie keine Platten und Betätigungsarme sehen. Das machen wir als nächstes.

Memorysticks und Thumbdrives

Wenn Ihnen Flash-Speicher irgendwie bekannt vorkommt, dann haben Sie wahrscheinlich mindestens ein oder zwei Thumbdrives – oder Speichersticks – in Ihrer Computertasche. Die kleinen Geräte, die eine überraschend große Kapazität haben und einen schnellen Datentransfer zwischen Computern ermöglichen, heißen offiziell USB-Sticks. Sie verwenden die gleiche NAND-Flash-Technologie und können in vielerlei Hinsicht als die Vorgänger der heutigen Solid-State-Speichergeräte angesehen werden.

Äußerlich sehen Solid-State-Laufwerke genauso aus wie HDDs. Sie haben eine rechteckige Form, sind mit einem gebürsteten Metallgehäuse bedeckt und so dimensioniert, dass sie den Industriestandard-Formfaktoren für Festplatten entsprechen – typischerweise 2,5 und 3,5 Zoll (6,4 und 8,9 Zentimeter). Aber unter dem silbernen Äußeren finden Sie eine Reihe von Chips, die auf einer Platine organisiert sind, ohne dass magnetische oder optische Medien in Sicht sind. Vieles davon könnte in einen kleineren Raum passen, aber SSD-Hersteller kleiden ihre Komponenten in zusätzliche „Gehäuse“, um sicherzustellen, dass sie in vorhandene Laufwerksschächte von Laptops und Desktop-PCs passen .

Verglichen mit der schlichten Einfachheit eines Solid-State-Laufwerks sind die Innereien einer Festplatte ein Wunderwerk an Bewegung, Klang und Aktivität. Runde Platten, die auf einer Spindel angeordnet sind, können sich mit 7.200 Umdrehungen pro Minute drehen. Ein Betätigungsarm, das sich in mehrere Schreib-Lese-Köpfe verzweigt, rast in zu schnellen Geschwindigkeitsschüben über die Platten. Der Arm ist mit dem Aktuatorblock verbunden, der die Anweisungen zum Bewegen der Schreib-Lese-Köpfe enthält. Wenn diese Anweisungen aufgerufen werden, manchmal bis zu 50 Mal pro Sekunde, schwenkt der Arm an einem Ende und bewegt die Köpfe im Einklang über die Platten. Sobald ein Kopf an einer bestimmten Stelle auf einer Platte ankommt, erzeugt ein Elektromagnet ein Magnetfeld, das datentragende Domänen in der darunter liegenden Spur ausrichtet. Jede Domäne kann in eine von zwei möglichen Richtungen ausgerichtet werden – 1 oder 0. Wenn sich diese Ausrichtungen ändern, bilden sie Muster, die diskreten Blöcken digitaler Informationen entsprechen.

Der NAND-Flash eines Solid-State-Laufwerks speichert Daten anders. Denken Sie daran, dass NAND-Flash -Transistoren in einem Raster mit Spalten und Zeilen angeordnet sind. Wenn eine Kette von Transistoren Strom leitet, hat sie den Wert 1. Wenn sie keinen Strom leitet, ist sie 0. Zunächst werden alle Transistoren auf 1 gesetzt. Wenn jedoch ein Speichervorgang beginnt, wird der Strom zu einigen Transistoren blockiert. Drehen sie auf 0. Dies geschieht aufgrund der Anordnung der Transistoren. An jedem Schnittpunkt von Spalte und Zeile bilden zwei Transistoren eine Zelle. Einer der Transistoren ist als Control Gate bekannt , der andere als Floating Gate. Wenn Strom das Steuergate erreicht, fließen Elektronen auf das schwebende Gate und erzeugen eine positive Nettoladung, die den Stromfluss unterbricht. Durch das Anlegen präziser Spannungen an die Transistoren entsteht ein einzigartiges Muster aus Einsen und Nullen.

NAND-Flash gibt es in zwei Varianten, je nachdem, wie viele Einsen und Nullen in jeder Zelle gespeichert werden können. Single-Level Cell ( SLC ) NAND speichert ein Bit – entweder eine 1 oder eine 0 – pro Zelle. Multi-Level Cell ( MLC ) NAND speichert zwei Bits pro Zelle. MLC-Flash bietet eine höhere Kapazität, nutzt sich aber schneller ab (ja, nutzt sich ab – wir werden das auf ein paar Seiten ausführlicher behandeln). Dennoch ist es pro Gigabyte günstiger als SLC und ist daher die bevorzugte Technologie in fast allen SSDs auf Verbraucherebene.

Die Kosten waren eine der größten Hürden für Flash-Speicher und folglich für Solid-State-Laufwerke. Aber in den letzten Jahren sind die Kosten deutlich gesunken. Gleichzeitig haben Fortschritte in der NAND-Flash-Entwicklung das Gute an der Technologie genommen und sie noch besser gemacht. Als nächstes werden wir uns die Vorteile von Solid-State-Laufwerken ansehen.

Sie haben in einen erstklassigen Laptop mit einer 500-GB-Festplatte investiert, und er funktioniert hervorragend. Sie haben alle Ihre Fotos und Videos, Ihre gesamte Musikbibliothek, fünf halbfertige Romane und Anwendungen in Hülle und Fülle auf den Platten des Laufwerks gepackt. Warum sollten Sie erwägen, die Festplatte gegen ein Solid-State-Laufwerk auszutauschen? Hat Dad nicht immer gesagt: „Wenn es nicht kaputt ist, repariere es nicht“?

Vielleicht hatte Dad keine Festplatten. Die harte Realität ist, dass Festplatten ausfallen können und dies auch tun, oft häufiger, als ihre technischen Spezifikationen vermuten lassen. Beispielsweise bewerten Festplattenhersteller die Zuverlässigkeit ihrer Produkte mit einer Messung, die als Mean Time Between Failures oder MTBF bekannt ist. Eine typische Consumer-Festplatte hat eine MTBF-Bewertung von 500.000 Stunden, was bedeutet, dass bei einer Stichprobe von getesteten Laufwerken alle 500.000 Teststunden ein Ausfall auftritt. Das ist ein Fehler alle 57 Jahre, was ziemlich gut klingt, oder? Leider sind die MTBF-Werte irreführend. Sie stammen aus einer statistischen Auswertung, die auf einer kleinen Stichprobengröße und einem kurzen Zeitaufwand basiert. In Wirklichkeit sollten Sie neben dem MTBF-Wert auch die Garantie und Lebensdauer einer typischen Festplatte (etwa drei bis fünf Jahre) berücksichtigen. Da sie keine beweglichen Teile haben, können SSDs eine verbesserte Zuverlässigkeit bieten. Sie können bis zu 2,5 Millionen Stunden MTBF bewerten, was wahrscheinlich bedeutet, dass die Lebensdauer des Geräts um einige Jahre verlängert wird.

Eine noch größere Sache ist die Leistung von Solid-State-Laufwerken im Vergleich zu HDDs. Ohne sich bewegende Köpfe und sich drehende Platten können SSDs so schnell auf ein Datenelement zugreifen wie auf jedes andere Element, selbst wenn sie sich nicht in der gleichen Nähe befinden. Die Schnelligkeit des Geräts zeigt sich in allen wichtigen CPU-Aufgaben, vom Hochfahren der Systemsoftware über das Öffnen von Dateien bis hin zum Lesen und Schreiben von Daten. Die folgenden Punkte vergleichen SSDs und HDDs bei diesen kritischen Aktivitäten:

Bootzeit (Windows 7): 22 Sekunden (SSD), 40 Sekunden (HDD)

Lese-/Schreibgeschwindigkeit von Daten : 510–550 Megabyte pro Sekunde (SSD), 50–150 Megabyte pro Sekunde (HDD)

Öffnungsgeschwindigkeit von Excel-Dateien : 4 Sekunden (SSD), 14 Sekunden (HDD)

All dies summiert sich. Selbst ein gelegentlicher Benutzer wird eine deutliche Leistungssteigerung eines mit einer SSD ausgestatteten Computers bemerken. Aber ein Power-User wird den Unterschied wirklich spüren. Spieledesigner , Animatoren und andere Leute, die riesige Ausgabedateien rendern, waren die ersten Anwender von SSDs, nur weil sie beim Lesen und Schreiben großer Dateien insgesamt Zeit sparen konnten. Heutzutage werden Gamer, Fotografen und alle, die Grafik- oder Videodateien bearbeiten, den Geschwindigkeitsschub zu schätzen wissen, den ein Solid-State-Laufwerk bietet.

Schließlich verbrauchen SSDs weit weniger Strom als herkömmliche Festplatten, was bedeutet, dass sie die Akkulaufzeit verlängern und kühler bleiben. Sie sind außerdem super leise, ohne das Surren und Klicken, das Sie mit HDDs bekommen. Sie werden dies mehr zu schätzen wissen, wenn Sie häufig reisen und Ihren Computer oft auf Ihren Knien haben, aber selbst wenn Ihr Laptop die meiste Zeit angedockt bleibt, kann ein kühleres, leiseres Gerät Ihren Komfort spürbar verbessern Arbeitsplatz.

Natürlich ist keine Technologie perfekt, und SSDs sind weit davon entfernt. Auf der nächsten Seite untersuchen wir die Nachteile von NAND-Flash und warum eine Kombination von Technologien die beste Lösung sein könnte.

Der Austausch Ihrer Festplatte gegen ein Solid-State-Laufwerk scheint ein Kinderspiel zu sein. Aber bevor Sie den Wechsel vornehmen, sollten Sie die Einschränkungen von SSDs verstehen. Wie Kosten. Auch wenn die Preise stetig gesunken sind, ist NAND- Flash-Speicher immer noch teuer. Um beispielsweise 240 Gigabyte Speicherplatz auf einer PNY Prevail SSD zu erhalten, können Sie 280 US-Dollar berappen. Das sind 1,17 $ pro Gigabyte. Die Western Digital Scorpio Blue HDD hingegen bietet Ihnen 250 Gigabyte Speicherplatz für etwa 65 US-Dollar. Das macht 0,26 $ pro Gigabyte.

Dann ist da noch das Thema Langlebigkeit. Der in SSDs verwendete NAND-Flash kann nur für eine begrenzte Anzahl von Schreibvorgängen verwendet werden. Wieso den? Weil SSDs kein einziges Bit an Informationen schreiben können, ohne zuerst sehr große Datenblöcke auf einmal zu löschen und dann neu zu schreiben. Jedes Mal, wenn eine Zelle einen Löschzyklus durchläuft, verbleibt etwas Ladung im Floating-Gate-Transistor, der seinen Widerstand ändert. Wenn sich der Widerstand aufbaut, steigt die Strommenge, die zum Ändern des Gates erforderlich ist. Schließlich kann das Tor überhaupt nicht mehr umgedreht werden, was es unbrauchbar macht. Dieser abfallende Prozess hat keinen Einfluss auf die Lesefähigkeiten von SSDs, da zum Lesen nur die Spannungen der Zellen überprüft, nicht geändert werden müssen. Infolgedessen kann NAND-Flash in einen schreibgeschützten Zustand "verrotten".

Einige Hersteller verwenden sogenanntes Wear-Leveling , um der Verschlechterung von NAND-Flash entgegenzuwirken. Diese Technik verteilt Datenschreibvorgänge auf alle Blöcke, um sicherzustellen, dass sich der Flash-Speicher gleichmäßig abnutzt, aber selbst damit verfallen SSDs mit der Zeit. NAND-Flash-Speicher der Single-Level-Cell-Variante liefern im Allgemeinen 50.000 Programmier-/Löschzyklen. Flash der mehrstufigen Zellvarietät – die Art, die in Verbraucherprodukten verwendet wird – nutzt sich nach etwa 5.000 Zyklen ab.

Aus diesem Grund verwenden viele Rechenzentren und Techies eine Kombination aus SSD und HDD. Ein Ansatz besteht darin, ein Solid-State-Laufwerk in einem Laptop und eine herkömmliche Festplatte als externen Speicher für Musik, Fotos und andere Dateien zu verwenden. Dies kombiniert das Beste aus beiden Welten – den ultraschnellen, wahlfreien Datenzugriff von SSD mit der relativ kostengünstigen, hohen Kapazität von HDD. Wenn sich das für Sie gut anhört, sollten Sie mit dem Kauf eines geeigneten Solid-State-Laufwerks beginnen. Zu den führenden Herstellern gehören Samsung, Seagate, SanDisk, PNY, Toshiba und OCZ Technology. Und vergessen Sie nicht Intel, das eine robuste Reihe von Laufwerken sowie mehrere Tools anbietet, die Ihnen bei der Auswahl der richtigen Technologie helfen und berechnen, wie viel Zeit und Geld Sie sparen können, wenn Sie auf SSD umsteigen.

Die Arbeit an diesem Artikel führte mich zurück an die Hochschule für Informatik, wo wir etwas über Bits, Bytes und natürlich Speicher gelernt haben. Ich saß damals vor einem Commodore 64 (das sind 64 Kilobyte RAM) mit einem externen 5,25-Zoll-Diskettenlaufwerk! Mann, wie weit sind wir gekommen.

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Quellen