Solid State Drive Technologie - SSD / EFD / Flash Disk / NVMe

Der Flash Speicher (Flash Disk) wird bei Consumer Produkten, wie Smartphones, Netbooks und Laptops schon seit längerer Zeit fast ausschließlich eingesetzt. Die jetzt schon sehr große Verbreitung führt zu immer größeren Kapazitäten und auch zu kleineren Preisen.

Im Rechenzentrum bei Storage-Systemen bieten die SSDs deutliche Vorteile in Geschwindigkeit, Stromverbrauch und Wärmeentwicklung. Sie sind aber immer noch recht teuer und werden sehr häufig im Tiering mit drehenden Festplatten oder in Kombination mit Deduplizierung und Komprimierung betrieben.

SSD: Solid State Drive, auf Basis von nichtflüchtigen Halbleiterspeichern ohne mechanische Teile
EFD: Enterprise Flash Disk, die schnelleren und hochwertigeren SSDs, aber kein geschützter Begriff
NVMe: Non-Volatile Memory Express, ein Protokoll zur schnellen Datenübertragung für Flash und SSD Speicher
TBW: Total Byte Written (Lebensdauer von SSDs)
DWPD: Drive Writes per Day (Lebensdauer von SSDs)

Techniker der Datenspeicherung

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 einer SSD nicht passieren. Die Flash-Bausteine halten ihre Ladungszustände auch nach dem Ausschalten, der entscheidende Unterschied zu RAM Bausteinen.

Die SSD ist also ähnlich wie ein RAM Baustein aufgebaut und hat ähnliche Zugriffsgeschwindigkeiten (in der Praxis sind SDRAMs schneller als Flash-Bausteine). Bei den SSDs gibt es zwei unterschiedliche Verfahren, einmal die Single Level Cell (SLC) und zum anderen die Multi Level Cell (MLC) Technologie.
In der letzten Zeit sind noch Erweiterungen und Ergänzungen dazu gekommen. So gibt es anfangs nur im Consumer-Bereich TLC (Triple Level Cell) NAND Flash-Zellen und auch QLC (Quad Level Cell), die noch mehr Zustände als die MLC Zellen speichern können. Damit reduziert sich der Preis pro GB weiter, jedoch werden diese SSDs noch anfälliger gegen häufige Schreibzugriffe.

Im Gegensatz dazu werden bei Festplatten 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.

SSD im Rechenzentrum

Die SSD bietet viele Vorteile gegenüber einer Festplatte (Details siehe unten). In mobilen Endgeräten ist die SSD nicht mehr wegzudenken. Aber wie sieht es im Rechenzentrum aus? In der professionellen Datenverarbeitung ist die Sicherheit extrem wichtig, also der Ausfall eine SSD kann nicht so ohne weiteres toleriert werden. Dafür gibt es aber auch ein RAID, also was soll da passieren?
Zu instabile SSDs sind auch für ein RAID 5 und sogar ein RAID 6 problematisch, gerade wenn es den gleichzeitigen Ausfall von mehreren SSDs betrifft. Und genau dafür werden die Enterprise SSDs angeboten. Dort ist die TBW bzw. DWPD (siehe unten) deutlich höher. Aber leider ist auch der Preis deutlich höher, als bei den Consumer SSDs.

Gegen den zum Teil massiven Preis können 2 Features helfen:
1. Storage-Tiering: Hier werden SSDs und drehende Platten in einen Pool zusammengelegt. Der Storage-Controller übernimmt dann die Verteilung der Daten. Nur performante Daten kommen auf die SSDs.
2. Komprimierung und Deduplizierung: Die Daten auf den SSDs werden komprimiert und doppelte Daten werden entfernt. Damit können mehr Nutzdaten auf den SSDs gespeichert werden. Einige Hersteller werben mit Reduzierungen von bis zu 75%, was aber nur bei komprimierbaren Daten zu erreichen ist.

Das Tiering ist sehr effektiv bei größeren Datenmengen, da meist nur ein geringer Teil wirklich die maximale Performance benötigt. Die Komprimierung und Deduplizierung wird meist nur bei All-Flash Systemen angewendet. Diese sind besonders auf diese Techniker optimiert worden.

Vorteile der SSD gegenüber einer Festplatte

Aber was ist jetzt das Besondere an der SSD (Solid State Drive)? 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 Systemen, 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 nahezu gleich. Und der Zugriff ist wesentlich schneller, da die mechanische Positionierung wegfällt. Damit werden auch eine größere Übertragungsrate und eine geringere Latenzzeit erreicht und das unabhängig von der Position der Daten.

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 (Schreibbeständigkeit). Die höhere Sicherheit wirkt sich positiv auf die Lebensdauer aus. Die Single Level Cell Technologie ist also die erste Wahl, wenn es bei der professionellen Datenverarbeitung auf Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit ankommt. Die SLC SSD wird auch als EFD (Enterprise Flash Disk) bezeichnet. Allerdings werden die SLC SSDs immer mehr von den MLC verdrängt. Einmal vom Preis her, aber auch durch eine bessere Verfügbarkeit der MLC SSDs. Diese MLC werden dann als eMLC (Enterprise MLC) bezeichnet. Sie erreichen die Verfügbarkeit durch ein besseres internes Management der genutzten Blöcke.

Multi Level Cell (MLC) Technologie

In der Multi Level Cell können technisch zur Zeit bis zu 4 Bit pro Speicherzelle gespeichert werden, das ist dann die QLC (Quad Level Cell). Dies wird durch das Anlegen von unterschiedlichen Spannungen erreicht, beziehungsweise dem Auslesen der unterschiedlichen Spannungen. Sollen also zum Beispiel 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 nicht nur eine) und eine geringere Lebensdauer, da nur ein Viertel der Speicherzellen vorhanden sind. Der Begriff MLC wird häufig für die 2-Bit MLC genutzt (also zwei Speicherzustände pro Zelle), bei der 3-Bit MLC hat sich der Begriff TLC (Triple Level Cell) eingebürgert. Die TLC SSD wird immer mehr der Standard im Consumer-Bereich, die QLC (Quad Level Cell) übernimmt die Funktion der SATA bzw. NL-SAS Platte.

Da die MLC SSD im Consumer Bereich 3.000 bis zu 10.000 Schreib-IOs pro Zelle verarbeiten kann, werden im Storage Bereich spezielle eMLC SSD (Enterprise MLC) verwendet. Die Zelle einer eMLC SSD kann bis zu 30.000 Schreib-IOs verarbeiten bevor sie ausfällt.

Performance der SSD (SLC und MLC)

Bei der Performance von Speichersystemen wird zwischen 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 Zugriffszeiten ja immer gleich, da alle Daten im direkten Zugriff stehen. Dieser Wert liegt deutlich unter 0,1 ms (bis auf 0,05 ms herunter).
Bei der Datenrate sieht es ähnlich aus, eine SAS Platte erreicht beim sequentiellen Lesen maximal 90 MB/s (Abhängig von der Blockgröße). Die unabhängigen Tests von SSDs liegen zwischen 200 und 500 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, eMLC und MLC)

Die Lebensdauer ist bei beiden Technologien stark von der Fertigungsqualität abhängig. Die kostengünstigen MLC Bausteine halten bestenfalls 10.000 Schreibzyklen stand. Also sicherlich nichts für Storage-Systeme hinter Datenbankanwendungen. Nimmt man einmal 100 Schreibzugriffe pro Tag auf einen bestimmten Block an, so ist dieser Block in durchschnittlich 3,3 Monaten defekt. Und einhundert Schreibzugriffe sind ja noch nicht viel. Bei guten SLCs (speziell für den Storage Bereich ausgewählt) 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 "besseren" SSDs optimieren noch einiges: 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 SSDs (egal ob MLC, eMLC 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.
Trotzdem ist eine gewisse Alterung der SSDs auch ohne Operationen zu erwarten. Die Oxidschichten werden auch ohne Schreiboperationen abgebaut, eine hohe Temperatur erhöht den Abbau. Wenn die SSD nicht eingeschaltet ist, dann kann der interne Controller auch nicht optimieren. Was lernen wir daraus? Eine SSD ist kein gutes Langzeit-Archivierungsmedium und sie sollte ab und zu eingeschaltet werden.

Entscheidend für die Qualität von SSDs sind einmal die verwendeten NAND Module, aber mindestens genauso wichtig ist der Controller Chip. Dieser überwacht im Idealfall alle Zellen und kann im Fall von zu vielen Schreib-IOs die Blöcke verlagern. Einen großen Vorteil besitzen die SSDs: Man weiß relativ genau, wann sie kaputt gehen. Also können die Daten vorher umkopiert werden. Das setzt natürlich auch genügend Reserve-Blöcke auf der Platte voraus. Auch dies ist ein Qualitätsfaktor für SSDs.
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 Platte (aus dem Enterprise Bereich).
Zwei weitere Werte werden zur Einstufung von SSDs verwendet:
1. TBW (Total Byte Written): Das ist die Datenmenge, die auf die gesamte SSD geschrieben werden kann, bevor die statistische Gefahr des Ausfall eintritt. Die Angabe ist meist in PB.
2. DWPD (Drive Writes per Day): Das ist die Anzahl von Überschreibvorgängen, die pro Tag auf die gesamte SSD vorgenommen werden können. Also wie oft die SSD pro Tag komplett neu beschrieben werden kann.
Wie sind diese Werte vergleichbar? Einige Hersteller geben TBW und andere DWPD an. Aber die Umrechnung ist eigentlich ganz einfach:

TBW = DWPD * [Garantiezeit in Jahren] * 365 * [Kapazität der SSD in GB] / 1.024

DWPD = TBW * 1.024 / ( [Kapazität der SSD in GB] * [Garantiezeit in Jahren] * 365 )

Damit lassen sich die Angaben der Hersteller einfach vergleichen. Aber diese Angaben "hinken" doch etwas: Wer beschreibt denn die Platte immer wieder gleichmäßig von Anfang bis Ende. Also ist auch der Controller der SSD entscheidend ...

SLC bzw. eMLC-Technologie in RAID-Systemen

Fast jeder RAID-System-Hersteller hat SSDs für seine Systeme zertifiziert. Dies sind dann meist nur SLC Laufwerke oder eMLC 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 Zugriffszahlen werden auf diese Technologie verlegt, Daten wie Logs oder Files bleiben auf SAS- oder NL-SAS-Festplatten. Eine Performance-Steigerung mit wenig Investitionsvolumen und optimaler Auslastung.

In der Praxis würde man die SSDs in einem RAID 1 oder 5 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 Zugriffszeit (gleichzeitiger Zugriff ist möglich). Je mehr Festplatten im gemeinsamen Zugriff sind, desto besser werden die Werte. Der Vergleich zwischen SAS Platte und SSD muss in diesem Falle ergänzt werden. Können z.B. 20 SAS Platten in RAID 10 einen Durchsatz von 800 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.

Hybrid-Festplatten (SSHD)

Die Hybrid-Festplatte ist eine Kombination aus der traditionellen drehenden Magnetfestplatte mit einer SSD (Flash Speicher) als großen Cache. Entwickelt wurde dieses Konzept schon im Jahre 2000, es wurden damals RAM Module als Cache vor die Platte gesetzt. Problem dieser RAM Module war aber, sowie der Strom aus ist, sind die Daten im RAM verloren. Ergänzt wurde diese Platte damals mit kleinen Akkus. Es setzte sich aber nicht durch.
Heute werden aber SSDs verwendet, das bedeute auch bei einem Stromausfall bleiben die Daten erhalten. Angeboten werden 300 bis 600 GB auf rotierenden Scheiben mit 16 GB auf SSD und 128 MB auf RAM kombiniert. Also insgesamt ein dreistufiger Speicher. Das Tiering auf der Festplatte ist transparent für das Betriebssystem oder den RAID-Controller. Die Festplatte steuert also selbstständig die Verwendung des Cache. Insgesamt eine schnelle Platte zu einem guten Preis. Eingesetzt werden die Platten aber meist nicht in RAID-Systemen, da dort der RAID-Controller die eigentliche Steueraufgabe hat. Er kann zwar seinen eigenen Cache verwalten, nicht aber den transparenten Cache in der Platte.

SED und FIPS Laufwerke

Selbstverschlüsselnde Laufwerke (SEDs) in SSD-oder HDD-Format bieten eine vollständige Festplattenverschlüsselung (FCE) auf Basis von AES-256. Diese Laufwerke sind dann häufig zertifiziert nach FIPS140-2 Level2.

Diese Laufwerke bekommen die Daten also unverschlüsselt vom Storage-System geliefert und verschlüsseln diese intern, liefern die Daten dann aber wieder unverschlüsselt zum Storage aus. Die Daten liegen also verschlüsselt auf der Festplatte bzw. SSD vor. Aber wenn sie den Datenstrom automatisch wieder entschlüsseln, was bringen sie dann? Wenn es so einfach wäre, dann würde es natürlich nichts bringen. Aber der Schlüssel liegt nicht in der Festplatte oder SSD, sondern wird vom Storage-System (oder RAID-Controller) geliefert. Baut also jemand die Festplatte aus, dann kann er die Daten nicht lesen. Also können "defekte" Festplatten und SSDs mit diesem Feature ohne Probleme zum Hersteller zum Austausch zurück gegeben werden. Er kann die Daten ja solange nicht lesen, bis er den Schlüssel hat.
Und da kommen wir auch zum Problem: Wenn jemand das Storage zusammen mit den Festplatten klaut, dann kann er die Daten trotzdem lesen, weil er ja auch den Schlüssel mit geklaut hat.

Wichtiger Hinweis beim Verkauf von Storage-Systemen mit SED Laufwerken: Wenn das System zusammen mit dem Schlüssel verkauft wird, dann hat der Käufer natürlich wieder Zugriff auf alle alten Daten. Da ist es extrem wichtig, dass der Schlüssel sicher gelöscht wird. Zur Sicherheit sollte man die Daten aber trotzdem zusätzlich noch löschen.