Im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten haben Solid-State-Drives (SSDs) gewaltige Vorteile: Sie liefern bei den Transferraten und hier vor allem bei den Input/Output Operations Per Second (IOPS) eine deutlich höhere Performance, benötigen weniger Energie als HDDs und auch keine so aufwändige Kühlung.
Allerdings ist die Kapazität pro Laufwerk bei SSDs deutlich geringer, die größten SSDs mit SATA- oder SAS-Schnittstelle fassen 1,6 Terabyte, und auch der Preis pro Gigabyte liegt mit 50 Cent bis einem Euro viel höher als bei Festplatten. Hier zahlt man für Platten mit drei oder vier Terabyte Kapazität gerade einmal 10 Cent pro GByte.
Daher ist der Einsatz von SSDs auch nur in bestimmten Bereichen sinnvoll, bei denen die IOPS mehr zählen, als eine hohe Kapazität, etwa als schneller Tier-1-Speicher für zeitkritische Daten oder auch Cache-Laufwerk für die Festplatten-Arrays im Server oder in der SAN. Diese Aufgaben wurden früher von schnellen Festplatten mit niedriger Kapazität aber hohen Drehzahlen übernommen, deren Preis pro GByte auch nicht niedriger ist, als der von SSDs und die daher durch die Flash-Speicher verdrängt werden.
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MLC statt SLC: Auch bei Enterprise-SSDs
Auch bei Enterprise-SSDs setzen die Hersteller inzwischen fast nur noch NAND-Flash mit MLC-Speicherzellen (Multi-Level Cell) ein. Sie können im Gegensatz zu SLC-Speicherzellen (Single-Level Cell) mehr als ein Bit pro Zelle speichern und können so auf der gleichen Chipfläche mehr Daten speichern. Das macht SSDs auf MLC-Basis deutlich günstiger als SLC-SSDs.
Dafür ist aber die Schreibrate bei MLC-Flash geringer und vor allem auch die Lebensdauer der SSDs. Denn bei SLC übersteht eine Speicherzelle etwa 100.000 Lösch- und Schreibzyklen, bei MLC etwa nur 3.000 bis 1.000 Zyklen. Allerdings sorgen in MLC-Speichern inzwischen Techniken wie Wear Leveling, Bad Block Mapping sowie eine verbesserte Fehlerkorrektur dafür, die Lebensdauer auf bis zu 30000 Zyklen zu erhöhen.
Zudem werden maximal zwei Bits pro Zelle gespeichert, was die Lebensdauer zusätzlich erhöht. Teilweise werden die für Enterprise-SSDs bestimmten Speicher auch als eMLC (Enterprise MLC) bezeichnet.
Weitere Eigenschaften vieler Enterprise-SSDs sind eine hardwarebasierte automatische Verschlüsselung (SED) mit 128 oder 256 Bit und Verfahren, die einen Datenverlust bei einem plötzlichen Stromausfall verhindern. Kondensatoren auf der SSD-Platine sorgen dabei dafür, dass Daten im Cache der SSD noch auf den Flash-Speicher geschrieben werden.
In SSDs für den Consumer-Bereich werden bereits NAND-Flash mit drei Bits eingesetzt, etwa in der Samsung-840-EVO-Serie. Das macht zwar SSDs mit hoher Kapazität vergleichsweise günstig, aber die Lebensdauer der SSDs ist für den Dauerbetrieb in Servern zu gering. Daher nutzt Samsung in Enterprise-SSDs wie der SM843T auch 2-Bit-MLC. Die SATA-6.0-GBit-SSD mit maximal 480 GByte Kapazität nutzt den selben Samsung-MDX-Controller, der auch in der 840 Pro zum Einsatz kommt.
Für eine höhere Kapazität bei Enterprise-SSDs sollen in Zukunft NAND-Speicher mit 3D-Strukturen sorgen. Den Anfang machte Samsung im vergangenen Jahr mit der Ankündigung von V-NAND (3D Vertical NAND) mit 24 Layern, die zunächst MLC-Chips mit einer Kapazität von 128 GByte möglich machen sollen. Samsung steht bei V-NAND kurz vor der Markteinführung.
Neue SSDs für die Cloud: Intel, Seagate, WD
Intel DC S3500 und Toshiba PX03SNx
Inzwischen bringen einige Hersteller SSDs auf den Markt, die mit einer hohen Leserate besonders für Cloud-Anwendungen optimiert sind. Beispiele dafür sind die neue DC-S3500-Baureihe von Intel oder die PX03SNx-Familie von Toshiba.
Intel gewährt auf die SSDs der DC-S3500-Baureihe trotz MLC-Flash eine Garantie von fünf Jahren. Intel setzt hier die eigenen MLC-Speicher mit 20 Nanometern Strukturbreite und einen selbst entwickelten Controller ein. Beim Lesen gibt Intel für DC-S3500-SSDs 500 MByte/s an. Die SSDs der DC-S3500-Serie sollen laut Intel je nach Modell zwischen 45 und 450 Terabyte an Daten Schreiben können, bevor ein Ausfall von Speicherzellen droht, zudem ist ein Pufferkondensator als Schutz bei Stromausfällen vorhanden. Die SSDs sind im 1,8- oder 2,5-Zoll-Formfaktor und Kapazitäten von 80 bis 800 GByte lieferbar. Als Schnittstelle dient SATA mit 6 GBit/s.
Auf eMLC-Speicher und eine 12 GBit/s schnelle SAS-3.0-Schnittstelle setzt Toshiba bei den Enterprise-SSDs der PX03SNx-Baureihe. Damit soll sie bis zu 130.000 IOPS beim wahlfreien und bis zu 1100 MByte beim sequentiellen Lesen liefern. Toshiba nutzt für die SSDs den eigenen neuen 19-Nanometer-MLC-Flash-Speicher und ein spezielles Fehlerkorrekturverfahren mit der Bezeichnung Quadruple Swing-By Code (QSBC), das vor Datenverlust bei Spannungsausfällen schützen soll. Lieferbar sind Modelle mit Kapazitäten zwischen 200 GByte und 1,6 TByte.
Spätstarter: Seagate und Western Digital
Neben Toshiba haben auch die traditionellen Festplattenhersteller Seagate und Western Digital Enterprise-SSDs im Programm.
Seagate ist erst 2009 ins SSD-Geschäft eingestiegen und hat sich dabei primär auf das Enterprise-Segment konzentriert. Mitte 2013 ging mit der Serie 1200 die bislang jüngste SSD-Generation an den Start: Mit SAS-3.0-Interface, eMLC-Flash und einer Kapazität von 200 bis 800 GByte gehören sie auch zur High-End-Kategorie unter den Enterprise-SSDs.
Bei Western Digital ist die 2011 erworbene Tochter Hitachi Global Storage Technologies (HGST) für Halbleitermassenspeicher zuständig, sie laufen unter der schon aus IBM-Tagen bekannten Ultrastar-Brand, zusätzliches SSD-Knowhow hat HGST erst im vergangenen Jahr durch den Kauf von sTec Inc. erworben, einem auf Enterprise-SSDs spezialisierten Hersteller. Western Digital selbst konzentriert sich weiter auf herkömmliche HDDs und neuerdings auch Hybrid-Platten wie das WD Black Dual Drive, das eine 120-GByte-SSD und eine HDD mit einem TByte Kapazität in einem 2,5-Zoll-Gehäuse kombiniert.
Auf eine Karte gesetzt: PCI-Express-SSDs
Neben SSDs mit SATA- oder SAS-Schnittstelle bringen auch immer mehr Hersteller Laufwerke mit PCI-Express-Interface auf den Markt. Im Prinzip bestehen diese Steckkarten aus einem SATA-RAID-Controller und mehreren SSDs, die zur Leistungssteigerung als Stripe-Set (RAID 0) angesprochen werden.
Die ersten SSDs in dieser Bauform kamen von OCZ, die Firma wurde nach der Insolvenz im Januar von Toshiba übernommen und ist unter dem neuen Eigner wieder erstarkt. Das jüngste Pferd im OCZ-Stall ist das speziell für den Enterprise-Einsatz konzipierte Z-Drive 4500 mit Speichergrößen zwischen 800 GByte und 3,2 TByte.
Die Karte mit PCIe-x8-Schnittstelle kombiniert Toshiba-MLC-Speicher mit einem Controller, der auf der von OCZ entwickelten Virtualized Controller Architecture (VCA 2.0) basiert. So soll die Karte Übertragungsraten von bis zu 2900 MByte/s beim Lesen und 2200 MByte/s beim Schreiben liefern. Das Z-Drive 4500 unterstützt auch die WXL- und die VXL-Software von OCZ. Die erstere ist eine Caching-Software für Windows Server, die zweite dient dazu, virtuellen Servern einen flexiblen Zugriff auf die SSD zu ermöglichen. OCZ war vor dem Einstieg in die SSD-Technik primär ein Anbieter von Arbeitsspeichern.
Mit Mushkin bietet nun ein weiterer Speicherhersteller PCIe-SSDs an. Die neue Scorpion-Deluxe-Baureihe kombiniert vier SSDs im M.2-Format und einen LSI-RAID-Controller auf einer PCIe-x8-Karte, die bis zu 2165 MByte/s beim Lesen und 1990 MByte/s beim Schreiben liefern soll. Dabei ist das 1920-GByte-Spitzenmodell mit einem Preis von ca. 1700 Euro im Vergleich zum OCZ Z-Drive 4500 günstig, das kostet in der 1,6-TByte-Version 3800 US-Dollar.
Western Digital hat ebenfalls PCIe-SSD-Kompetenz ebenfalls durch eine Firmenübernahme eingekauft: Im Oktober 2013 wurde der SSD-Startup Virident eingekauft und bei der WD-Tochter HGST eingegliedert. Vor der Übernahme hat Virident noch eng mit dem WD-Konkurrenten Seagate zusammengearbeitet. Durch die Übernahme gehört nun auch die PCI-Express-SSD FlashMAX II zum HGST-Portfolio.
Mit maximal 4,8 TByte stößt die FlashMAX II bei der Kapazität sogar in HDD-Bereiche vor, aber natürlich zu einem deutlich höheren Preis. Eine Besonderheit der FlashMAX II ist, dass hier nicht mehrere SATA-SSDs zu einem RAID kombiniert, sondern die Speicherchips direkt angesprochen werden, Virident gibt für die Performance maximal 850000 IOPS an. Statt eines Hardware-Controllers wie bei OCZ oder Mushkin kommt dafür die vFAS-Software zum Einsatz, die Verwaltungsarbeit übernehmen also die CPUs des Servers.
NVM Express: Die Schnittstelle der Zukunft
PCI Express als Schnittstelle nutzt auch das neue Übertragungsprotokoll NVM Express (NVMe), das seit einigen Jahren von einer Arbeitsgruppe von 90 Firmen entwickelt wird, darunter auch Schwergewichte der Branche wie Intel, Cisco, Dell, Samsung, Seagate, LSI oder Micron.
Im Vergleich zum bisher genutzten SATA-AHCI-Protokoll ist NVM Express besser auf die Eigenschaften von Flash-Speichern zugeschnitten, da AHCI für deutlich langsamere mechanische Festplatten entwickelt wurde.
So können über NVMe (Non-Volatile Memory Host Controller Interface) deutlich mehr Kommandos parallel übertragen werden, das Protokoll nutzt dabei auch die Tatsache, dass moderne Server über immer mehr CPU-Cores verfügen. Als mechanisches Interface kann neben PCI Express auch SATA Express dienen. Der Anschluss ist abwärtskompatibel zu SATA, enthält aber zusätzlich mehrere PCI-Express-Lanes. Neben NVM Express kann auch weiterhin AHCI als Übertragungsprotokoll genutzt werden.
Die erste SSD mit NVMe-Unterstützung ist die Samsung XS1715. Die 2,5-Zoll-MLC-SSD soll beim sequentiellen Lesen bis zu 3000 Mbit/s übertragen. Zudem gibt Samsung für die XS1750 bis zu 740000 IOPS an, ein Wert, der sogar weit über dem bisheriger PCIe-SDDs mit RAID 0 liegt. Das Z-Drive 4500 liefert hier laut OCZ bis zu 252000 IOPS.
Als Anschluss dient ein SATA-Express-Konnektor mit vier PCI-Express-Lanes (SFF-8639), als maximale Kapazität nennt Samsung 1,6 TByte. Dell setzt die Samsung XS1715 im neuen PowerEdge R920 Server ein, der jetzt auf den Markt kommt. (rb)