Solid State Drives: Damit Flash-Laufwerke lange halten und hohe Datenraten erreichen, sind besondere Techniken notwendig (Bild B)

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1 COMPUTER SSDs erklärt lles über SSDs Read-Modify-Write-Zyklus, Write mplification, Garbage Collection: Diese Techniken stecken in modernen Solid State Drives. Wer sich für ein Solid State Drive (SSD) interessiert, der kennt das Problem: Im Laden und in den Produktbeschreibungen erfährt man vieles aber zumeist unverständliches Fachchinesisch (ild ). Während die meisten mit egriffen wie TRIM noch etwas anfangen können, weiß kaum jemand, was sich zum eispiel hinter Garbage Collection verbirgt. uch ein englisches Wörterbuch hilft kaum weiter: Was hat ein Müllsammler mit SSDs zu tun? com! übersetzt das Fachchinesisch und erklärt die wichtigsten egriffe zu Solid State Drives (ild ). Pages und locks Solid State Drives speichern Daten nicht auf einer Magnetscheibe, sondern auf Speicherchips. SSDs mit SLC-Chips (Single Level Cell) speichern 1 it pro Speicherzelle. MLC-Chips (Multi Level Cell) speichern 2 it pro Speicherzelle. Mehrere Speicherzellen werden zu einer Page zusammengefasst. Eine Page ist 4 oder 8 Kyte groß und die kleinste Speichereinheit, die gelesen und ge Solid State Drives: Damit Flash-Laufwerke lange halten und hohe Datenraten erreichen, sind besondere Techniken notwendig (ild ) schrieben werden kann. Das bedeutet, dass selbst eine kleine Datei mit nur 30 yte eine komplette Page belegt. Pages sind wiederum in locks zusammengefasst. Ein lock ist die kleinste Einheit, die gelöscht werden kann. Pages lassen sich nicht einzeln löschen. In den meisten SSDs bilden 128 Pages mit 4 Kyte einen lock mit 512 Kyte. lternativ bilden 256 Pages mit 8 Kyte einen lock mit 2 Myte. Mehr dazu lesen Sie im Kasten Pages und locks: So speichern SSDs Daten auf Seite 41. Da sich Pages einzeln beschreiben lassen, aber nur locks gelöscht werden können, führt dies dazu, dass eine SSD deutlich mehr Daten schreiben muss als eigentlich notwendig. Genauer beschreibt dies der bschnitt Write mplification und Read-Modify-Write- Zyklus auf Seite 43. SLC- und MLC-Chips SSDs speichern Daten in Flash-Speicherchips vom Typ Single Level Cell (SLC) oder Multi Level Cell (MLC). SLC-Chips haben den Vorteil, dass sie sich sehr schnell beschreiben lassen. Dafür sind sie teuer in der Fertigung. Kompakt Solid State Drives (SSDs) nutzen Techniken, die den Zugriff beschleunigen und die Lebensdauer der SSD erhöhen. Random 4K lesen? MLC asynchron? In den Produktbeschreibungen von SSDs, hier in einem Online-Shop, finden sich viele Fachbegriffe. Was diese eigentlich bedeuten, steht nirgends (ild ) com! erklärt, wie die Techniken funktionieren, und was beim Kauf wirklich wichtig ist. 40 6/2012

2 SSDs erklärt COMPUTER Daher kommen in Solid State Drives ab 64 Gyte Kapazität hauptsächlich MLCs zum Einsatz. MLCs speichern pro Speicherzelle 2 it im Gegensatz zu 1 it in SLCs. So speichern sie bei gleicher nzahl an Chips mehr Daten. Ein Nachteil von MLC-Chips: Sie sind langsamer und überleben nur rund Schreibvorgänge, während mit SLCs mehrere Millionen Schreibvorgänge möglich sind. Dieser Nachteil spielt aber nur eine geringe Rolle kaum ein nwender reizt die maximale nzahl an Schreibvorgängen aus. Techniken wie Wear Leveling (siehe Seite 43) sorgen für eine möglichst lange Lebensdauer der Chips. Zudem werden in der Praxis mehr Daten gelesen als geschrieben. Das Lesen von Daten schadet den Zellen nicht. Daher halten SSDs deutlich länger als man einen Computer nutzt. Es gibt auch TLC-Chips (Triple Level Cell). Sie speichern 3 it pro Zelle. ufgrund der geringen Lebensdauer kommen TLCs nur in US-Sticks und SD- Speicherkarten zum Einsatz. Synchroner und asynchroner Flash-Speicher In Solid State Drives unterscheidet man zwischen synchronen und asynchronen Speicherchips. Die ezeichnungen beziehen sich darauf, wie die Speicherchips mit dem Kontroller der SSD verbunden sind. Der Kontroller ist dafür zuständig, Daten auf den Chips zu speichern und auszulesen und an den ST-nschluss weiterzuleiten. eim synchronen Speicher werden sowohl bei der auf- als auch bei der absteigenden Flanke des Taktsignals Daten übertragen. Dabei handelt es sich um dasselbe Prinzip wie bei DDR-RM (Double Data Rate). Im Gegensatz dazu überträgt der asynchrone Speicher Daten nur bei der aufsteigenden Flanke. Damit ist synchroner Speicher theoretisch doppelt so schnell wie asynchroner Speicher. In der Praxis spielen aber weitere Faktoren eine Rolle, wie die Qualität des Kontrollers und Techniken wie Interleaving (siehe Seite 42). Daher sind Solid State Drives mit asynchronem Speicher nicht unbedingt langsamer als die mit synchronem Speicher. Kontroller Pages und locks: So speichern SSDs Daten lock = 512 Kyte Page = 4 Kyte Der Kontroller ist die Schnittstelle zwischen den Speicherchips und dem Rest des Rechners. Der zentrale Chip entscheidet darüber, wie schnell das Laufwerk Daten mit PC-Komponenten wie Solid State Drives unterteilen den Speicherbereich in Pages und locks. uf SSDs ist eine Page die kleinste Speichereinheit. uf den meisten SSDs haben Pages eine Größe von 4 Kyte. 128 Pages bilden einen lock mit 512 Kyte. Pages lassen sich einzeln beschreiben aber nicht einzeln löschen. Eine SSD kann nur ganze locks löschen. Somit werden immer 128 Pages gleichzeitig gelöscht. Inhalt lles über SSDs Pages und locks S. 40 SLC- und MLC-Chips S. 40 Synchroner und asynchroner Flash-Speicher S. 41 Kontroller S. 41 Spare rea S. 42 Write mplification und Read-Modify-Write-Zyklus S. 43 Garbage Collection S. 43 Wear Leveling S. 43 lignment S. 45 IOPS S. 45 Pages und locks: So speichern SSDs Daten S. 41 So funktioniert der Read-Modify-Write-Zyklus S. 42 Over-Provisioning: So erhöhen Sie die Spare rea S. 44 So funktioniert Garbage Collection S. 45 dem Prozessor austauscht, und wie effizient die SSD Techniken wie Wear Leveling nutzt. Derzeit nutzen die meisten Solid State Drives Kontroller der Hersteller Marvell, Intel, Samsung und Sandforce. Es entscheidet jedoch der Kontroller nicht allein über das Tempo einer SSD. So bringt der schnellste Kontroller wenig, wenn etwa langsame Speicherchips zum Einsatz kommen. Je nach Kontroller unterstützt das Lauf werk ST 2 mit 3 Git/s oder ST 3 mit 6 Git/s. Dabei handelt es sich um die Schnittstelle, mit der die SSD am Mainboard angeschlossen ist (ild C). esser sind SSDs, die über einen ST-3-nschluss verfügen, auch als ST 600 bezeichnet. Er ermöglicht eine theoretische Datenrate bis 6 Git/s. In der Praxis bleiben rund 600 Myte/s. Da flotte SSDs Daten mit über 500 Myte/s lesen, kann ein ST-2-nschluss mit rund 300 Myte/s schnell zum Flaschenhals werden. uf der anderen Seite: Das Gros der Laufwerke reizt die andbreite von ST 3 wenn überhaupt nur selten aus. Zudem ist für alltägliche ufgaben mit Windows die ST-2-andbreite ausreichend. Zudem sollte bei der Kaufentscheidung berücksichtigt werden, ob das Mainboard über ST-3-nschlüsse verfügt. Wenn das nicht der Fall ist, dann bringt auch eine SSD mit diesem flotten nschluss keinen Geschwindigkeitsvorteil. 6/2012 auf CD und DVD nur auf DVD 41

3 COMPUTER SSDs erklärt Welcher ST-nschluss auf Ihrem Mainboard verbaut ist, zeigt das Tool Sisoftware Sandra Lite 2012 SP3 (kostenlos, Wählen Sie in dem Tool Hardware-Informationen, Mainboard (ild D). Wenn unter Laufwerkscontroller, Schnellster ST Modus der Eintrag ST300 steht, dann unterstützt das Mainboard ST 2. Mit der ngabe ST600 unterstützt das Mainboard ST 3. Interleaving: Die Transferraten der Flash-Speicherchips sind längst nicht so hoch wie die Gesamtgeschwindigkeit einer SSD. So liegen die Transferraten je nach rt des Chips mit 50 bis 200 Myte/s deutlich unter den maximalen Geschwindigkeiten der derzeit schnellsten SSDs. Um die hohen Datenraten von über 500 Myte/s zu erreichen, behelfen sich die Kontroller mit einem Trick: Sie steuern mit der Technik Interleaving bis zu zehn Speicherchips parallel an. Dadurch addieren sich die Transferraten der Chips. Das ist übrigens auch der Grund, weshalb SSDs mit kleineren Kapazitäten langsamer sind, vor allem beim Schreiben: us Kostengründen verbauen die Hersteller bei kleineren SSDs weniger Speicherchips. Es gibt also weniger Möglichkeiten zur Leistungssteigerung, indem man mit Interleaving mehrere Chips parallel anspricht. Spare rea Spare rea bedeutet so viel wie Reservebereich. Diesen freien ereich auf der SSD benötigt der Kontroller, um Techniken wie Wear Leveling zu nutzen. Die Hersteller der Solid State Drives empfehlen eigentlich, rund 15 bis 20 Prozent der Gesamtkapazität unpartitioniert zu lassen. Da sich jedoch nicht alle nwender daran halten, ist standardmäßig ein Teil des Speichers für die ST-nschluss: Solid State Drives schließen Sie wie normale Festplatten an das Mainboard an. m gebräuchlichsten sind ST 2 und ST 3 (ild C) Spare rea reserviert. Dabei handelt es sich um einen Speicherbereich, der für etriebssysteme nicht nutzbar ist. Typischerweise beträgt die Größe der festen Spare rea rund 7 Prozent der Gesamtkapazität. Diesen ereich zweigen die SSD- Hersteller von der Gesamtkapazität der So funktioniert der Read-Modify-Write-Zyklus 1 Datenreste verhindern zunächst das Speichern 2 Read: Daten im ablegen 3 Modify: Gesamten lock löschen Datenreste das sind als gelöscht markierte, aber noch vorhandene Dateien verhindern, dass die neue Datei gespeichert wird. Read: Die SSD liest die vorhandene Datei vorübergehend in den. Das ist die Vorbereitung für den nächsten Schritt. Modify: Nachdem alle Daten im zwischengespeichert sind, kann die SSD den kompletten lock löschen. lock lock lock 42 6/2012

4 SSDs erklärt COMPUTER SSD ab. So steht Ihnen nicht die gesamte Kapazität einer SSD zur Verfügung. Sie können die Spare rea zusätzlich vergrößern. Wie das geht, lesen Sie im Kasten Over-Provisioning: So erhöhen Sie die Spare rea auf Seite 44. Write mplification und Read-Modify-Write-Zyklus Von Write mplification spricht man, wenn ein Solid State Drive deutlich mehr Daten schreiben muss, als sich eigentlich ändern. mplification heißt auf Deutsch Vervielfachung. Je mehr Daten sich auf der SSD befinden, desto weniger freie Pages stehen zur Verfügung. Dann tritt folgender Effekt ein: Da keine leeren Pages zur Verfügung stehen, muss der Kontroller als gelöscht markierte, aber noch vorhandene Daten in Pages überschreiben. Und hier kommt Write mplifica 4 Write: Daten speichern Write: Die SSD schreibt alle Daten aus dem Zwischenspeicher in die nun leeren Pages. Dann wird der gelöscht. lock ST 2 oder ST 3: Das Tool Sisoftware Sandra Lite 2012 SP3 zeigt Ihnen in den Informationen zum Mainboard an, welche ST-Version Ihr Computer unterstützt in diesem eispiel ST 2 (ild D) tion in Spiel: Pages lassen sich erst beschreiben, nachdem sie gelöscht wurden. Das Problem wird noch größer, wenn man bedenkt, dass eine Page gar nicht gelöscht werden kann. Es lassen sich nur komplette locks löschen. So muss der Kontroller zum Speichern von Daten drei Schritte vornehmen, was auch als Read-Modify- Write-Zyklus bezeichnet wird: Er liest zunächst einen gesamten lock aus und lagert die noch benötigten Daten in den aus. Danach werden alle Daten im lock gelöscht. Im dritten Schritt legt der Kontroller die zuvor gespeicherten sowie die neuen Daten im lock ab. Diesen Prozess veranschaulicht nebenstehende Infografik So funktioniert der Read-Modify-Write-Zyklus. Vor allem ältere SSDs hatten mit Write mplification Probleme. So ist die Schreibgeschwindigkeit auf vollen Laufwerken um bis zu 90 Prozent eingebrochen. Moderne SSDs nutzen Techniken wie Garbage Collection (siehe nächsten bschnitt). Sie verhindern, dass Write mplification allzu häufig auftritt. uch der TRIM-efehl wirkt Write mplification entgegen: Damit teilt das etriebssystem der SSD mit, welche Pages endgültig gelöscht werden können. Diese Pages werden dann im Leerlauf gelöscht. Dabei geht das Laufwerk genauso vor wie bei der Technik Garbage Collection. Garbage Collection Solid State Drives speichern Daten umso schneller, je mehr freie Pages zur Verfügung stehen. Um eine gute Performance zu erreichen, nutzen SSDs Garbage Collection. Das bedeutet so viel wie Müllsammlung. Es handelt sich um eine rt Defragmentierungs-Tool. Damit erledigt der Kontroller einen Teil des Read-Modify-Write-Zyklus, wenn sich die SSD im Leerlauf befindet: Der Kontroller sammelt benötigte Daten aus nur teilweise beschriebenen locks. Diese Daten fasst er in möglichst wenigen vollen locks zusammen. Die freien locks werden gelöscht und sind bei edarf sofort beschreibbar. Was bei Garbage Collection passiert, lesen Sie im Kasten So funktioniert Garbage Collection auf Seite 45. Wear Leveling Die Technik Wear Leveling bedeutet so viel wie bnutzungsausgleich und soll die Lebensdauer eines Solid State Drives erhöhen. Sie sorgt dafür, dass Schreibzugriffe gleichmäßig auf alle Speicherzellen verteilt werden. So 6/2012 auf CD und DVD nur auf DVD 43

5 COMPUTER SSDs erklärt kommt jede einzelne Zelle möglichst selten an die Reihe. Die Speicherzellen haben nur eine begrenzte Lebensdauer. Jeder Schreibzugriff lässt die Speicherzellen altern. Lesezugriffe schaden hingegen nicht. Windows schreibt die Daten auf das Solid State Drive, indem es eine bestimmte logische dresse angibt. Wenn sich nun eine Datei regelmäßig ändert, dann würde aufgrund der ständigen Schreibzugriffe der dazugehörige lock schnell kaputtgehen. Mit Wear Leveling schreibt der Kontroller Daten immer auf unterschiedliche Speicher-locks. Dazu führt die SSD eine interne Statistik, welche locks wie oft beschrieben wurden. Man unterscheidet zwischen dynamischem und statischem Wear Leveling. Das dynamische Wear Leveling verteilt Daten, die sich im Moment ändern und geschrieben werden. Das sta IOPS: In den Datenblättern von SSDs steht oft ein IOPS-Wert. Er soll angeben, wie viele efehle ein Laufwerk pro Sekunde verarbeiten kann (ild G) tische Wear Leveling verteilt im Leerlauf bereits abgelegte Daten auf verstimmte logische dresse an, unter der gibt beim Schreiben von Daten eine beschiedene Speicher-locks. sie abgelegt werden. Wenn nun die Daten aufgrund des Wear Leveling ver Das Wear Leveling verwendet eine eigene Zuordnungstabelle. Windows schoben werden, dann würde Windows Over-Provisioning: So erhöhen Sie die Spare rea Mit einer größeren Spare rea erhöhen Sie die Lebensdauer der SSD, da mehr freie locks als Ersatz zur Verfügung stehen. Die Hersteller konfigurieren SSDs so, dass sie rund 7 Prozent der Gesamtkapazität als Spare rea nutzen. Diese Größe lässt sich manuell erhöhen. Das nennt man Over-Provisioning. Mit einer größeren Spare rea stehen mehr freie locks als Ersatz für defekte locks sowie zum Wear Leveling zur Verfügung. Das verlängert die Lebensdauer der SSD und sorgt für mehr Geschwindigkeit. SSDs verfügen im Vergleich zu normalen Festplatten nur über eine geringe Kapazität. Daher ist Over-Provisioning nur bei großen SSDs sinnvoll. Zudem sind SSDs ohnehin schnell genug und überdauern die durchschnittliche Nutzungszeit eines Rechners. Spare rea erhöhen: Die SSD kann einen unpartitionierten ereich nur dann als Spare rea nutzen, wenn alle locks gelöscht sind. So reicht es nicht aus, wenn Daten unter Windows lediglich als gelöscht markiert sind. m einfachsten lässt sich daher die Spare rea erhöhen, wenn Sie auf einer neuen SSD einen Teil unpartitioniert lassen. So nutzen Sie bezeichnet ein sicheres Löschen aller Daten. Das etwa auf einer 160-Gyte-SSD nur 144 Gyte. Löschen der Daten und das Verändern der Spare Wenn sich auf dem Solid State Drive schon rea setzt einiges an Fachkenntnissen voraus. Daten befinden oder das Laufwerk bereits partitioniert war, ist es etwas komplizierter: Eine nleitung, wie Sie dabei vorgehen, fin- Sie erledigen dies unter Linux (ild E). Das komplette Löschen aller Daten erreicht den Sie unter man mit einem sogenannten Secure Erase. Das SSD_Over-Provisioning_mit_hdparm. Over-Provisioning: Wer die Spare rea eines Solid State Drives vergrößern will, der muss zu Linux greifen und mit dem Tool Hdparm erst freie locks löschen (ild E) 44 6/2012

6 SSDs erklärt COMPUTER sie nicht mehr auffinden. Daher pflegt der Kontroller eine eigene Zuordnungstabelle: Sie gibt für die von Windows festgelegten logischen Speicheradressen den tatsächlichen Speicherort an. lignment Unter lignment versteht man das usrichten von Partitionen an den physischen Grenzen des Laufwerks. uf SSDs liegt die kleinste beschreibbare Speichereinheit, die Page, bei 4 oder 8 Kyte. Windows 7 nutzt mit dem Dateisystem NTFS standardmäßig als kleinste Speichereinheit ebenfalls 4 Kyte. Normale Festplatten nutzen als kleinste Speichereinheit eine sogenannte Sektorgröße von 512 yte. Damit SSDs kompatibel sind, emulieren So funktioniert Garbage Collection 1 Pages mit gelöschten Daten Hier enthält eine Page gelöschte Daten. Dadurch ist die Page nicht frei für neue Daten. D sie nicht nur die auform, sondern auch die Sektorgröße von 512 yte (ild F). Wenn ein etriebssystem eine SSD wie eine herkömmliche Festplatte mit einer Sektorgröße von 512 yte partitioniert, dann entspricht eine Speichereinheit im etriebssystem meist nicht genau einer Page auf der SSD. Die Folge: eim Speichern von 4 Kyte Daten verteilen diese sich auf zwei Pages. Somit verringert sich nicht nur die Performance, sondern auch die Lebensdauer. ktuelle etriebssysteme wie 2 lock 1 lock 1 lock 2 lock 2 Daten in neuen locks zusammenfassen Garbage Collection speichert die noch benötigten Daten in leeren locks. Die alten locks werden komplett gelöscht. SSD von innen: Damit die SSD in einen normalen Festplattenschacht passt, hat sie trotz weniger Chips das Format 2,5 Zoll (ild F) Windows 7 erkennen, wenn sie auf einer SSD installiert werden, und passen das lignment bei der Installation an. IOPS Viele Hersteller von SSDs geben einen IOPS-Wert an (ild G). IOPS steht für Input/Output Operations per second und ist eine rt enchmark für Laufwerke. Der IOPS-Wert gibt an, wie viele Ein- und usgabebefehle pro Sekunde ein Laufwerk verarbeitet. Je größer dieser Wert ist, desto schneller ist die SSD. Durchschnittliche SSDs erreichen beim Lesen rund IOPS und beim Schreiben rund IOPS. Schnelle SSDs kommen lesend auf bis zu IOPS und schreibend auf bis zu IOPS. Zum Vergleich: Herkömmliche Festplatten erreichen beim Lesen nur rund 100 IOPS. Es fehlt jedoch eine Definition von IOPS. Daher sind die ngaben schwer vergleichbar. Einige Hersteller geben immerhin an, worauf sich der IOPS- Wert bezieht. Ein eispiel ist die ngabe Random 4K Read. Sie bedeu tet ein zufälliges Lesen von Daten-locks mit einer Größe von je 4 Kyte. Konstantin Pfliegl computer@com-magazin.de D Weitere Infos Profi-Wissen der com! zur rbeitsweise von Flash-Speicherzellen 6/2012 auf CD und DVD nur auf DVD 45