Die drei Buchstaben SSD sind das Akronym für „Solid State Drive“. Eine SSD ist ein Massenspeicher für Daten ähnlich einer Festplatte (HDD). Im Gegensatz zu einer HDD nutzt eine SSD jedoch keine rotierenden Scheiben und bewegliche Schreib- / Leseköpfe sondern spezielle Chips, um Daten zu speichern. SSDs sind daher in der Regel weniger anfällig für Erschütterungen und Stöße. Sie sind zudem leise und bieten schneller Zugriffszeiten sowie geringere Latenzzeiten als eine HDD.

Geschichte der SSD

Solid State Drives haben ihren Ursprung in den 1950er Jahren. Die ersten Geräte nutzten Magnetkernspeicher und sogenannte Card Capacitor Read-Only Store (CCROS). Diese damals noch als Hilfsspeichereinheiten bezeichneten SSDs entstanden während der Ära der Vakuumröhrencomputer. Mit der Einführung von billigeren Trommelspeichersystemen und den darauf folgenden HDDs wurde diese Technik wegen der hohen Kosten jedoch wieder aufgegeben.

In den 1970er und 1980er Jahren wurden SSDs in Halbleiterspeichern für frühe IBM-, Amdahl– und Cray-Supercomputer genutzt. Sie wurden wegen des unerschwinglich hohen Preises jedoch nur selten verwendet. Anfang 1995 wurde die Einführung der ersten Flash-basierten Solid-State-Laufwerken angekündigt. Diese Speicher hatten den Vorteil, dass keine Batterien erforderlich waren, um die Daten im Speicher zu halten, was bei den früheren flüchtigen Speichersystemen erforderlich war.

Ab diesem Zeitpunkt wurden SSDs zunehmend als Ersatz für Festplatten zunächst durch die Militär- und Luftfahrtindustrie sowie für unternehmenskritische Anwendungen eingesetzt. Diese Anwendungen erfordern eine außergewöhnlich lange Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) des Speichermediums. Diese Eigenschaft bieten Solid-State-Drives aufgrund ihrer Fähigkeit, extremen Schock-, Vibrations– und Temperaturbereichen zu widerstehen.

Im Prinzip besteht eine SSD nur aus einigen Speicherchips auf einer Platine mit einer In / Out-Schnittstelle, die Energie zuführt und Daten überträgt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Festplattenlaufwerken gibt es bei einer SSD keinen Aktuatorarm, der sich über eine drehende Magnetplatte bewegen muss, um Daten zu lesen oder zu schreiben.

Die meisten SSDs verwenden „Negative AND“ Speicherchips, die sogenannten NAND-Flash-Speicher. NAND-Speicher sind relativ stabil und halten jahrelang. In diesen Speichern werden die Daten als Bits gespeichert. Es gibt drei Arten von Speichern, die bei SSDs verwendet werden:

Single-level cell (SLC)
Multi-level cell (MLC)
Triple-level cell (TLC)

Erläuterung der drei Arten

Single-level cell (SLC): Diese Zellen können jeweils nur ein Daten-Bit speichern – entweder eine 1 oder eine 0. Es gibt also nur zwei mögliche Werte, die in jeder Zelle gespeichert und wieder gelesen werden können. Aus diesem Grund ist der SLC-Speicher beim Schreiben von Daten sehr schnell und präzise. Zudem benötigen sie von allen NAND-Flash-Speichern die geringste Menge an Energie und halten am längsten. Allerdings ist diese Technologie auch die teuerste. SLC–SSDs werden normalerweise aufgrund ihres hohen Preises in Unternehmen verwendet, sind jedoch auch für private Nutzer für verfügbar.

Multi-level cell (MLC): Diese Zellen können jeweils zwei Datenbits pro Zelle speichern – eine 1 und eine 0. Da eine Multi-Level-Zelle beide Bits enthalten kann, gibt es vier mögliche Werte: 00, 01, 10 und 11. Ein MLC-Speicher kann somit eine größere Datenmenge speichern, ohne dass die physikalische Größe des Speichers zunimmt. Sie sind zu einem günstigeren Preis verfügbar, haben jedoch langsamere Schreibgeschwindigkeiten und sind weniger genau. Sie verbrauchen zudem mehr Strom und verschleißen aufgrund des erhöhten Stromverbrauchs etwa 10 mal schneller als der SLC-Speicher.

Triple-level cell (TLC): Diese Zellen können jeweils drei Datenbits pro Zelle speichern und sind in großen Speichergrößen zu einem günstigen Preis verfügbar. Der Kompromiss besteht bei Triple-Level-Zellen in einer langsameren Lese- und Schreibgeschwindigkeit und einer geringeren Präzision sowie in einer verringerten Lebensdauer durch den erhöhten Stromverbrauch.

Die ersten SSDs enthielten nur 5 bis maximal 10 NAND-Chips mit einer ansprechend begrenzten Speicherkapazität. Zudem waren diese SSD noch sehr teuer. Neue Technologien ermöglichen NAND-Chips mit einer wesentlich größeren Speicherkapazität. Vertikales NAND (V-NAND) ist ein relativ neuer Ansatz, bei dem die Zellen übereinander gestapelt werden. Die Zellen behalten dabei die gleiche Leistung. Dadurch können große Speicherkapazitäten erreicht werden, ohne, dass die Chips selbst wesentlich größer werden. Beispielsweise kann ein einzelner V-NAND-Chip mit 48 Ebenen 32 GB Daten speichern. Eine 4 TB SSD enthält dementsprechend 125 separate V-NAND-Chips.

Alle NAND-Speicher sind mit einem sogenannten ECC (Error Correcting Code) ausgestattet. Der ECC dient zur Behebung von Fehlern, die beim Schreiben und Lesen von Daten auf der SSD auftreten. Die Zellen funktionieren dadurch weiterhin ordnungsgemäß, und die Funktionsfähigkeit der SSD bleibt erhalten.

Solid State Drives bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen mechanischen Festplattenlaufwerken. Die meisten dieser Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, dass SSDs keine beweglichen Teile verwenden. Sie arbeiten daher sehr zuverlässig in Umgebungen mit hohen Schock- und Vibrationsbelastungen und extremen Temperaturen. Dieses Merkmal ist für tragbare Systeme ein wichtiger Faktor. Das Risiko eines mechanischen Versagens wird durch den Mangel an beweglichen Teilen nahezu vollständig eliminiert.

In Bezug auf Messungen, Tests und industrielle Anwendungen sind Datenzugriffszeiten von großer Bedeutung. Da eine SSD keine Laufwerksköpfe wie bei einer herkömmlichen Festplatte bewegen oder hochfahren muss, können Daten fast ohne Verzögerung abgerufen werden. Aufgrund des Fehlens der mechanischen Verzögerungen zeigen SSDs signifikant höhere Lese- und Schreibraten.

Dieser Leistungsschub erhöht die Benutzerproduktivität, da durch die hohen Datenlese– und –schreibgeschwindigkeiten ein schnelleres Laden von Anwendungen und eine geringere Systemstartzeit möglich sind. SSDs bieten nicht nur schnellere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten als herkömmliche Festplatten, sondern auch eine bessere deterministische Leistung. Im Gegensatz zu normalen HDDs ist die Leistung einer SLC SSD über den gesamten Speicherplatz nahezu konstant. Dies liegt an den konstanten Suchzeiten, die ein Solid-State-Laufwerk bietet.

Für tragbare Systeme, die von Akkus mit Energie versorgt werden, spielt der Stromverbrauch eine wichtige Rolle. In diesem Punkt sind SSDs den HDDs deutlich überlegen. SSDs verbrauchen wesentlich weniger Energie als herkömmliche HDDs, da kein Strom zum Antrieb von Motoren benötigt wird.

Nach wie vor sind Consumer-SSDs teurer als HDDs mit gleicher Speicherkapazität. Der Preis pro GB Speicher ist bei SSDs immer noch höher. Die Speicherchips in einer SSD ermöglichen zudem nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen, was zu einem nicht wiederherstellbaren Datenverlust führen kann. Eine SSD kann kein einzelnes Informationsbit schreiben, ohne zuerst sehr große Datenblöcke zu löschen und dann erneut zu schreiben. Wenn eine Zelle diesen Zyklus durchläuft, „verschleißt“ sie ein wenig.

Dieser langsam voranschreitende Prozess beeinflusst jedoch nicht die Lesefähigkeit der gesamten SSD. Zudem übersteigt die Lebensdauer einer SSD aufgrund technologischer Fortschritte in der Regel den Produktlebenszyklus eines Computers, sodass dieser Nachteil kaum zum Tragen kommt. Allerdings, wenn der Controller-Chip, der Speichercache oder einer der Speicherchips physisch beschädigt wurde, sind die Daten möglicherweise vollständig unzugänglich.