Hardware
Flash-Speicher und seine Haltbarkeit
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Richtige Speicherverwaltung verlängert die Halt
Auf Anwendungsebene sind Defragmentierung und Indizierung die klassischen Maßnahmen, um Dateisysteme von Festplatten zu optimieren. Diese Verfahren wirken sich bei SSDs jedoch nachteilig auf Leistung und Haltbarkeit aus. Defragmentierung bedeutet, dass die Teile einer Datei, die über die Festplatte verstreut sind, zusammengefasst werden, damit sie in einem Durchgang gelesen werden können. Bei einer SSD dagegen spielt die tatsächliche Lage eines Dateifragments keine Rolle, da der Controller für den Zugriff auf beliebige Blöcke immer die gleiche Zeit benötigt. Defragmentieren bietet nicht nur keine Vorteile, sie kostet auch noch P/E-Zyklen und lässt das Laufwerk schneller verschleißen. Ähnlich gelagert ist der Fall bei der Indizierung, die die Lage bestimmter Daten auf der Platte speichert, um die Suchzeiten bei magnetischen Speichern zu verkürzen. Auch dieses Vorgehen verbraucht bei SSDs nur sinnlose Schreibzyklen und bringt keinerlei Vorteile bezüglich der Zugriffszeit.
Auf Betriebssystem-Ebene gibt es ab Windows 7 die TRIM-Funktion, die Schreibzugriffe auf die SSD beschleunigt. Da Daten in einer SSD nicht neu geschrieben werden können, ehe der Block gelöscht wurde, hat die sogenannte Garbage Collection (zuständig dafür, wie ungenutzte Datenblöcke behandelt werden), einen großen Einfluss auf die Schreibgeschwindigkeiten wie auch auf die Haltbarkeit des Laufwerks. Jeden Block erst dann zu löschen, wenn er beschrieben werden soll, ist ineffizient und langsam, weshalb es am besten ist, die Blöcke zu löschen, sobald sie nicht mehr genutzt werden. Da die SSD selbst nicht in der Lage ist, zu erkennen, ob etwas von einer Anwendung gelöscht wurde, liegt es am Betriebssystem, via TRIM-Befehl mitzuteilen, wenn Daten nicht mehr benötigt werden. Die SSD kann dann mittels Garbage Collection die Leistung und Lebensdauer des Laufwerks optimieren.
Der Controller – Wächter über die Zellen
Da jede einzelne Zelle nur eine bestimmte Anzahl an Schreibvorgängen verkraftet, ehe sie unbrauchbar wird, besitzen moderne, auf MLC basierende SSDs einen Verschleißausgleich in der Firmware, um die Flash-Speicherzellen möglichst gleichmäßig verteilt zu beschreiben. I/O-Befehle, die für Festplatten mit rotierenden Scheiben optimiert sind, zielen darauf ab, Lesen und Schreiben möglichst am gleichen oder nahegelegenen Ort durchzuführen. Bei Flash-Speichern ist es jedoch genau das, was man nicht will. Ein Controller für Flash-Speicher mit Verschleißausgleich wird prüfen, welche Zellen schon mal beschrieben wurden, und die Schreibvorgänge dann auf andere Zellen verteilen, so dass der Verschleiß gleichmäßig und langsam über das gesamte Laufwerk hinweg stattfindet. Durch den Verschleißausgleich kann ein intelligenter Controller die Lebensdauer von MLC-Flash-Speicher verlängern.
Verschleißausgleich bei MLC-Flash hilft zwar, die Lebensdauer zu verlängern, er bringt allerdings andere Probleme mit sich. Fortschrittliche Fehlerkorrekturmechanismen und zusätzliche Validierungsprozesse sind notwendig, da Daten in verschiedenen Versionen nun quer über das Laufwerk verstreut sein können. Zudem besteht die Gefahr, dass Daten durch einen Stromausfall, Spannungsabfall oder das unerwartete Abschalten des Systems beschädigt werden. Daher ist für MLC-SSDs irgendeine Art von Schutz vor Spannungsunterbrechungen erforderlich, wie beispielsweise die PowerCell-Technologie von Innodisk, um die Datenintegrität sicherzustellen.
iSLC – fast so gut wie SLC
Durch eine innovative Technologie von Innodisk, genannt iSLC, verhalten sich MLC-Speicher fast so wie SLC. Die Technik nutzt MLC in einem SLC-Modus. Die Lebensdauer und Leistung von MLC wird von den Fehlerkorrektur- und Zuverlässigkeitsmaßnahmen gebremst, die von den vier möglichen Zuständen herrühren. Das Betreiben von MLC-Flash-Speicher in einem Modus mit nur zwei Zuständen führt zu einem Status in der Zelle, der mit höherer Zuverlässigkeit gelesen und beschrieben werden kann. So kann iSLC 30.000 P/E-Zyklen erreichen, was verglichen mit den nur 3.000 Zyklen von MLC eine immerhin zehnmal so lange Haltbarkeit bedeutet – und das zu einem erheblich niedrigeren Preis. Zusätzlich dazu nähert sich die Schreibleistung bis auf 15 % der von SLC an (siehe Tabelle).
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| Max. Schreibgeschw. | 1 | 2 | 4 | 8 |
|---|---|---|---|---|
| SLC | 25 MB/s | 65 MB/s | 130 MB/s | 220 MB/s |
| iSLC | 20 MB/s | 50 MB/s | 125 MB/s | 200 MB/s |
| MLC | 7 MB/s | 11 MB/s | 50 MB/s | 80 MB/s |
Vergleich der Schreibgeschwindigkeiten von SLC, iSLC und MLC an einem SATA-II-Anschluss
Da Flash-Speicher immer kompakter wird und die Geschwindigkeit steigt, wird die Haltbarkeit zum entscheidenden Faktor. Anpassungen bei der Software erlauben es dem Anwender, die zu erwartende Lebensdauer seiner SSD zu optimieren. Idealerweise besitzen die SSDs der Top-Hersteller mit modernen Controllern eine lange Lebensdauer und ermöglichen es, MLC-Flash-Speicher ähnlich lange und performant zu betreiben wie ihre SLC-Pendants.
Der Autor
| CC Wu |
|---|
| machte seinen Abschluss in Information Engineering (BSc) an der Catholic Fu Jen University in Taiwan. Anschließend sammelte er Erfahrung als Ingenieur bei PQI und Eechain. Heute ist er Vice General Manager bei Innodisk sowie Director der Forschungs- und Entwicklungsabteilung. |
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