Solid State Drive SSD V1.0 (c) Stor IT Back 2010

Einführung in die Solid State Drive Technologie

Flash Speicher wird bei Consumer Produkten, wie Handys, Netbooks und MP3 Playern schon seit längerer Zeit erfolgreich eingesetzt. Die jetzt schon sehr große Verbreitung führt zu immer größeren Kapazitäten und auch zu kleineren Preisen.

Aber was ist jetzt das Besondere an den SSDs? Eine herkömmliche Festplatte speichert die Daten auf einer bzw. mehreren Magnetscheiben. Der Schreib-/Lese-Kopf fährt über diese Magnetscheiben, die sich drehen. Damit kann der Kopf jeden Punkt auf den Scheiben erreichen, immer gesteuert durch Drehung der Scheiben und Verschiebung des Kopfes. Soll der Kopf jetzt aber von ganz innen nach ganz außen fahren (Fullstroke-Zugriffszeit), so benötigt die magnetische Festplatte eine gewisse Zeit, die durch den Weg, die Mechanik und die Positionierung verursacht wird.
Weiterhin ist diese Mechanik anfällig gegen mechanische Einflüsse und Temperaturschwankungen. Die letzten Punkte sind eigentlich nicht das große Problem bei Servern und Storage Systeme, die erhöhten Zugriffszeiten aber doch ganz entscheidend.

Da bei der SSD alle Daten im direkten Zugriff sind, ist es unwichtig wo die Daten gerade liegen. Der zeitliche Unterschied des Zugriffes auf Daten die direkt nebeneinander oder maximal auseinander liegen, ist gleich. Und der Zugriff ist wesentlich schneller, da die mechanische Positionierung wegfällt. Damit wird auch eine größere Übertragungsrate erreicht.

Techniker der Datenspeicherung

Bei herkömmlichen Festplatten werden die Daten auf der Scheibe magnetisch gespeichert. Durch ein Magnetfeld im Schreibkopf wird der Zustand auf der Magnetscheibe verändert. Diese Veränderung kann durch den Lesekopf wieder entschlüsselt werden. Eine ähnliche Technik wird auch bei Bandlaufwerken zur Datensicherung verwendet.
Die SSDs speichern die Daten durch unterschiedliche Ladungszustände in den Speicherzellen. Also sehr ähnlich wie die RAM Bausteine (der Arbeitsspeicher) in einem Server. Schaltet man dort jedoch den Strom aus, so verlieren die RAM Bausteine ihre Speicherzustände, die Daten sind gelöscht. Dies darf natürlich bei SSDs nicht passieren. Die Bausteine halten ihre Ladungszustände auch nach dem Ausschalten, der entscheidende Unterschied zu RAM Bausteinen.

Die SSDs sind also ähnlich wie RAM Bausteinen aufgebaut und haben ähnliche Zugriffsgeschwindigkeiten. Bei den SSDs gibt es zwei unterschiedliche Verfahren, einmal die Single Level Cell (SLC) und zum anderen die Multi Level Cell Technologie.

Single Level Cell (SLC) Technologie

Bei der Single Level Cell Technologie wird genau ein Bit pro Speicherzelle geschrieben. Diese Speicherung erfolgt mit nur einer definierten Spannung. Damit haben SLC Module eine geringere Speicherkapazität, aber einen schnelleren Zugriff und eine höhere Sicherheit. Die höhere Sicherheit wirkt sich positiv auf die Lebensdauer aus. Die Single Level Cell Technologie ist als die erste Wahl, wenn es bei der professionellen Datenverarbeitung auf Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit ankommt.

Multi Level Cell (MLC) Technologie

In der Multi Level Cell können bis zu 4 Bit pro Speicherzelle gespeichert werden. Dies wird durch das Anlegen von unterschiedlichen Spannungen erreicht. Sollen also z.B. alle 4 Bits einer Zelle angesprochen werden, so müssen auch 4 unterschiedliche Spannungen angelegt werden. Damit wird der Speicherplatz pro Modul im Vergleich zu SLC bis auf das 4-fache gesteigert. Der Nachteil der MLC Technologie ist die geringere Geschwindigkeit (es müssen ja unterschiedliche Spannungen angelegt werden) und eine geringere Lebensdauer, da nur ein viertel der Speicherzellen vorhanden sind.

Performance von SSDs (SLC und MLC)

Die Performance von Speichersystemen wird in Zugriffszeit und Datenrate unterschieden. Bei der Zugriffszeit hängt es bei einer traditionellen Festplatte entscheidend davon ab, wo die Daten liegen. Wie weit muss sich der Schreib-/Lesekopf bewegen und wie schnell positioniert das System. Bei einer guten SAS Platte liegen die Durchschnittswerte zwischen 2 und 4 ms. Dies kann bei ungünstigen Daten (weite Wege) bis auf 10 ms hochgehen. Bei einer SSD sind die Zugriffzeiten ja immer gleich, da alle Daten im direkten Zugriff stehen. Dieser Wert liegt deutlich unter 0,1 ms (bis auf 0,05 herunter).
Bei der Datenrate sieht es ähnlich aus, eine SAS Platte erreicht beim sequentiellen Lesen maximal 90 MB/s. Die unabhängigen Tests von SSDs liegen zwischen 100 und 250 MB/s (auch sequentielles Lesen). Dabei erreichen die hochpreisigen SLC Platten die höchsten Werte.
Beim Schreiben ist der Vorteil nicht so deutlich, die hochpreisigen SSD-Platten kommen aber immerhin bis zu 200 MB/s, die Mehrheit der SSDs liegt aber bei 100 MB/s. Und das sind nur leicht bessere Werte, wie die magnetische Festplatten (SAS, 15k, Enterprise) erreichen können.
Ein weiterer Vorteil der SSD-Technologie ist die nahezu lineare Übertragungsgeschwindigkeit. Bei traditionellen Festplatten kann der Wert schon mal bis zu 40 MB/s schwanken.

Lebensdauer der Solid State Drives (SLC und MLC)

Die Lebensdauer ist bei beiden Technologien stark von der Fertigungsqualität abhängig. Die kostengünstigen MLC Bausteine halten bestenfalls 100.000 Schreibzyklen stand. Also sicherlich nichts für Storage-Systemen hinter Datenbankanwendungen. Nimmt man einmal 100 Schreibzugriffe pro Tag auf einen bestimmten Block an, so ist dieser Block in durchschnittlich 3 Jahren defekt. Und einhundert Schreibzugriffe sind ja noch nicht viel. Bei guten SLCs sind es jedoch schon über fünf Millionen Schreibzugriffe, also bei unserem Beispiel mit 100 Schreibzugriffen sind das dann knapp 140 Jahre, selbst bei 1.000 Schreibzugriffen auf den gleichen Block pro Tag noch ca. 14 Jahre. Ein kleiner Trost dabei: Lesbar sollen die Zellen aber auch weiterhin bleiben, nur Schreiben geht nicht mehr...
Aber auch die Hersteller der SSDs können noch einiges optimieren: Das s.g. Wear-Levelling verteilt die Schreibzugriffe über alle Zellen möglichst gleichmäßig. Das genaue Vorgehen wird von den Herstellern jedoch als geheim eingestuft. Damit werden gezielt die sich häufig ändernden Blöcke über möglichst viele Zellen verteilt. Eine sicherlich effektive Maßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer.

Aber wie sieht es mit der tatsächlichen Lebensdauer aus? Diese Technologie ist noch recht neu, Langzeitstudien über SSD (egal ob MLC oder SLC) gibt es deswegen noch nicht. Wie sich die Solid State Drives über Jahre verhalten ist also noch ungewiss. Aber es ist ja nicht eine komplett neue Technologie, richtige Überraschungen sind nicht zu erwarten.

Was sagen die Hersteller zur Lebensdauer? Eine wichtige Kenngröße in diesem Umfeld ist die Zuverlässigkeit (Mean Time Between Failures, MTBF). Diese Größe gibt die statistische Betriebsdauer zwischen zwei Ausfällen an. Die MTBF bei einer 15k SAS Platte liegt bei ca. 1,5 Mio Stunden (Herstellerangaben). Bei den SSDs (SLC) liegen die Herstellerangaben so zwischen einer und zwei Millionen Stunden, also auch nicht schlechter als eine SAS Platten (aus dem Enterprise Bereich).

SSDs (SLC-Technologie) in RAID-Systemen

Fast jeder RAID-System-Hersteller hat schon SSDs für seine Systeme zertifiziert. Dies sind dann meist nur SLC Laufwerke der oberen Preisklasse. Aber wofür sollte man sie einsetzen? Ideal geeignet sind SSDs für hochperformante Datenbankanwendungen. Durch die guten Zugriffszeiten und hohen Übertragungsraten kann diese Technologie die Gesamtperformance stark steigern.
Ideal bietet sich dann ein System mit automatischem Tiering an. Nur Daten mit hohen Zugriffzahlen werden auf diese Technologie verlegt, Daten wie Logs oder Files bleiben auf SAS- oder FC-Festplatten. Eine Performance-Steigerung mit wenig Investitionsvolumen und optimaler Auslastung.

In der Praxis würde man die SSDs in einem RAID 10 kombinieren (ohne RAID bedeutet der Ausfall einer SSD Datenverlust, also genau wie bei anderen Platten auch) und den Platz möglichst optimal ausnutzen. Also kleine Partitionen für Datenbankfiles mit hohen I/O Lasten.

Eines muss man jedoch immer betrachten: Kombiniert man viele schnelle SAS Platten mit einem RAID-Level, so erhöht sich auch der Durchsatz und zum Teil verringert sich die Zugriffzeit. Je mehr Festplatten im gemeinsamen Zugriff sind, desto besser werden die Werte. Der Vergleich einer SAS Platte zu einer SSD muss in diesem Falle ergänzt werden. Können z.B. 10 SAS Platten in RAID 10 einen Durchsatz von 400 MB/s erreichen, dann benötigt man schon mindestens 4 SSDs in RAID 10 um gleiche Werte zu erreichen.

Zusätzlich verändert der Cache des RAID-Controllers diese Werte nochmals. In diesem Umfeld muss also immer das Gesamtsystem betrachtet werden.