Hardware Flash-Speicher und seine Haltbarkeit

Solid State Drives mit Flash-Speicher
Solid State Drives mit Flash-Speicher

Solid State Drives mit Flash-Speicher haben die rotierenden Massenspeicher in industriellen Anwendungen fast verdrängt. Allerdings gibt es bei Flash-Speicher immer wieder Bedenken wegen der begrenzten Zahl von Schreibzyklen, die die Bausteine vertragen. Mit dem Wissen um die Bedeutung der Kennzahlen und das Schreibaufkommen der Anwendung kann man aber den passenden Speichertyp auswählen.

Flash-Speicher gibt es bereits seit einigen Jahrzehnten, doch erst in den letzten Jahren hat sich daraus eine ernsthafte Konkurrenz zu Magnetspeicher-Festplatten als primäres Speicherlaufwerk entwickelt. Sie sind schneller, verbrauchen weniger Strom und eignen sich besser für mobile Einsatzgebiete – durch diese Eigenschaften haben Solid State Drives (SSD) die Speicherwelt im Sturm erobert. Allerdings unterliegen die Flash-Speicherzellen einem Verschleiß, während es bei Magnetfestplatten eher die gesamte mechanische Konstruktion ist, die Verschleiß verursacht. Daher ist es für jeden Anwender, der heute einen solchen Speicher kauft, wichtig, das Verschleißproblem zu verstehen.

Flash-Speicher weisen in Sachen I/O-Durchsatz erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Festplatten auf. Klassische Festplatten arbeiten mit beweglichen Köpfen, die Daten von einer sich drehenden Magnetscheibe lesen. Da der Schreib-/Lesekopf physisch zum Ort der abgelegten Daten navigieren muss, kommt es bei Lese- und Schreibzugriffen zu Wartezeiten. Flash-Speicher dagegen ist statisch und arbeitet mit einer Matrix aus Zeilen und Spalten, womit gespeicherte Daten direkt adressiert werden können. Da Flash-Speicher keine beweglichen Teile mehr besitzen, sind sie extrem robust und im Vergleich zu Magnetspeicher-Laufwerken – mit ihren sich bewegenden und empfindlich auf Stöße und Vibrationen reagierenden Komponenten – optimal für mobile und raue Einsatzgebieten geeignet.

Bis vor Kurzem waren die Preise für Flash-Speicher sehr viel höher als für Festplatten. Erhebliche Fortschritte in Sachen Speicherdichte führten jedoch zu einem Preisverfall, wodurch sich Flash-Speicher heute für viele Verbraucher, die Industrie und Unternehmen als primäres Speicherlaufwerk eignen. Wenn große Mengen an Daten gespeichert werden sollen, ist die Festplatte pro Megabyte noch immer billiger. Doch die Vorteile von Solid State Drives (SSDs) sind bei den meisten Praxisanwendungen – sei es bei einem Desktop-Betriebssystem oder bei Dateiservern – groß genug, dass Flash-Speicher am Ende die bessere Wahl ist. Das einzig verbliebene Hindernis ist der weit verbreitete Zweifel an der Schreibbeständigkeit. NAND-Flash-Speicher bestehen aus Speicherzellen, die nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen verkraften. Die zunehmende Datendichte und I/O-Leistung bei jeder neuen Generation von Flash-Speichern haben diese Bedenken noch verschärft. Tatsächlich kann die Haltbarkeit durch Einstellungen der Software und des Betriebssystems verbessert werden. Auf Laufwerksebene entwickelten die Top-Hersteller von SSDs fortschrittliche Controller, die es selbst Mittelklasse-SSDs erlauben, die notwendige Zuverlässigkeit und Haltbarkeit für Unternehmenszwecke zu erreichen.

Endliche Anzahl von Schreibzyklen

Anders als magnetische Medien können Flash-Speicher nicht direkt überschrieben werden. Bei Flash-Speichern müssen die Blöcke zuerst gelöscht werden, ehe sie wieder mit neuen Daten beschrieben werden können. Ein Schreibzyklus besteht daher aus einem Löschvorgang und einer anschließenden Neuprogrammierung, auch bekannt als Program-Erase- oder P/E-Zyklus. Jeder Schreibzugriff führt zu einer kleinen, aber irreparablen Veränderung an der Struktur des Halbleiters, welche seine Fähigkeit reduziert, Daten zuverlässig zu behalten. Aus diesem Grund wird die Lebensdauer von NAND-Flash-Speicher in einer endlichen Zahl an P/E-Zyklen angegeben.

Bei NAND-Flash-Speicher gibt es zwei grundsätzliche Varianten: Single-Level Cell (SLC) und Multi-Level Cell (MLC). SLC ist die teurere und leistungsfähigere Spielart, während MLC billiger ist und traditionell eine schlechtere Performance und Haltbarkeit aufweist (Bild). Die kleinste Einheit in einem Flash-Speicher ist die Zelle. In SLC-Flash speichert eine Zelle nur ein Bit, was es einfach macht, diesen Zustand zu lesen und zu bestimmen. Die Konstruktion mit einem Bit pro Zelle von SLC führt zu eindeutig identifizierbaren Ladungszuständen, weshalb Lese- und Schreibvorgänge unkompliziert, schnell und zuverlässig stattfinden können. Abhängig vom Messverfahren besitzen SLC-Speicher eine zu erwartende Lebensdauer von typischerweise 60.000 bzw. 100.000 P/E-Zyklen.

Bei MLC speichert der gleiche Zellenaufbau durch eine präzisere Steuerung und Ermittlung von Spannungshöhen zwei, manchmal sogar drei Bits. Das bedeutet höhere Datendichte und somit niedrigere Kosten für die gleiche Speichergröße. Allerdings führt die erhöhte Genauigkeit zu geringeren Unterschieden zwischen den einzelnen Zuständen und bildet damit ein größeres Potenzial für Fehler. MLC muss so eine höhere Anzahl an Schreibzyklen für dieselben I/O-Operationen durchführen, weshalb die zu erwartende Lebensdauer ohne zusätzliche Maßnahmen zugunsten der Haltbarkeit typischerweise bei etwa 3.000 P/E-Zyklen liegt.

Die Beschränkungen von MLC-Flash haben dazu geführt, dass er bevorzugt in Geräten eingesetzt wird, bei denen der Schwerpunkt auf Lesen, nicht auf Schreiben liegt, wie zum Beispiel bei USB-Sticks oder MP3-Playern. Durch die Weiterentwicklung bei der Speicherverwaltung werden MLC-Speicher mit modernen Controllern heute aber zunehmend in SSDs eingesetzt, die bisherige Magnetspeicher-Laufwerke ersetzen. Hochwertige Notebooks haben oft MLC-SSDs als primäres Laufwerk für das Betriebssystem, die Anwendungen und Daten. Dank fortschrittlicher Firmware-Technologien erfüllen SSDs der Top-Hersteller trotz Verwendung von MLC-Flash-Speicher alle Anforderungen für den Einsatz im industriellen und unternehmerischen Bereich