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Erfolgreiche Embedded-Massenspeicher

Die entscheidenden Details des SSD

4. Juni 2019, 10:43 Uhr | Von Robert Herth, Senior BDM Manager Storage von Avnet Integrated

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Lebensdauer eines SSD

Welche Lebensdauer ein SSD erreicht, lässt sich durch entsprechende Tools analysieren. In einem „Use-Case“ soll das SSD so betrieben werden, wie es auch später eingesetzt wird. Beispielsweise kann sich die Lebensdauer in einer Anwendung reduzieren, die viele kleine Daten (<4 kB) schreibt. Hier ist es sinnvoll, die Daten zuvor zu packen und dann erst zu schreiben.

Bedingt durch den Aufbau eines SSD kann es passieren, dass die Firmware die eingehenden Daten mehrfach umlagern muss, bis diese endgültig ihren Platz im Flash-Baustein finden. Diesen Vorgang nennt man Write-Amplification-Faktor (WAF). Je größer dieser Faktor ist, umso mehr nutzen sich die Flash-Zellen ab und die Lebensdauer sinkt rapide. Hat man den WAF ermittelt und holt sich aus dem Datenblatt den TBW zur entsprechenden Kapazität, dann errechnet sich die ungefähre Schreibleistung des SSD: Schreibleistung ist TBW/WAF.

Wer nur die Schreib- und Leseleistung, die in den Datenblättern der Hersteller genannt wird, betrachtet, wird möglicherweise in der Praxis eine Enttäuschung erleben. Der Grund ist, dass das SSD nach und nach im Betrieb langsamer wird. Dieser Aspekt nennt sich Steady-State oder Schreibsättigung und ist leider ein ganz normaler Vorgang aufgrund der internen Struktur, dem internen Handling der SSD-Firmware und der Umgebungstemperatur, bei der das SSD seine Arbeit verrichtet. Hat der Hersteller zum Beispiel kein Reserve-Flash eingebaut oder ist die Firmware nicht optimal programmiert, kann sich die Schreibgeschwindigkeit um 30 % bis 50 % des Wertes aus dem Datenblatt einpendeln. Das heißt von beispielsweise angegebenen 450 MB/s, die das SSD wahrscheinlich am Anfang erreichen wird, fällt diese dann in der Praxis auf 250 MB/s bis 300 MB/s.

Kommen jetzt noch eine Eigenerwärmung und hohe Umgebungstemperaturen dazu, dann werden eventuell weniger als 100 MB/s erreicht. Einige Hersteller haben eine Drosselung eingebaut, damit sich das SSD nicht weiter im Betrieb eigenerhitzt. Es gibt SSDs, die über einen zusätzlichen Temperaturschutz verfügen. Bei einer Temperatur von ≥75 °C drosselt der Schutzmechanismus das SSD herunter und gibt diesem erst dann wieder freien Lauf, wenn die Temperatur gesunken ist. Ab 87 °C blockiert der Controller alle Schreib- und Lesevorgänge.

Aufgrund des Aufbaues eines SSD mit NAND-Flash und dessen Struktur als Page und Block muss bei neuen Daten zuerst ein Block gelöscht werden, bevor neu geschrieben werden kann. Diese Aufgabe ist in der Firmware integriert und nennt sich Garbage-Collection oder Speicherbereinigung. Bedingt durch die Erledigung dieser internen Aufgabe benötigt das SSD immer wieder eine kleine Erholung.

Für Anwendungen in der Industrie ist das Thema Power von großem Interesse. Die Frage ist einerseits, wie stabil die Spannungsversorgung ist, und andererseits, wie sich ein plötzlicher Ausfall der Versorgungsspannung auswirkt. Die interne Bauweise eines SSD und dessen Programmierung bei eingehenden Daten können gewisse Probleme bereiten, die sogar zu einem Verlust der Daten führen können. Industrielle und Enterprise-SSDs verfügen mittlerweile im Notfall über einen relativ guten Schutz und integrieren einen „Low-Power-Detector on Board“. Bei einem Spannungsabfall akzeptiert der SSD-Controller keinen weiteren Befehl mehr und versucht, die Daten zu sichern, die gerade zwischen Controller, Cache und Flash transferiert werden. Wird die Spannung wieder angelegt, versucht der Controller ein sicheres Wiederherstellen der Daten und sorgt dafür, dass das SSD wieder seine Funktion aufnimmt.

Manche Hersteller gehen noch einen Schritt weiter und platzieren Kondensatoren auf dem Board des SSD, um die interne Spannung etwas länger aufrecht zu erhalten und damit Daten, die sich gerade im DRAM-Cache befinden, sicher zu schreiben. Zusammenfassend ist zu bemerken, dass eine saubere und stabile Spannungsversorgung zum sicheren Betreiben eines SSD sehr wichtig ist und Daten retten kann.