Anstelle der mechanisch rotierenden Scheiben herkömmlicher Festplatten verwenden die meisten Solid-State-Laufwerke NAND-Flash-Speicher, eine Form nichtflüchtigen Speichers, die keine Stromversorgung benötigt, um Daten nach dem Speichern zu erhalten. NAND-Chips sind ebenfalls mehrschichtig aufgebaut, was bedeutet, dass sie mehr als ein Informationsbit pro Zelle speichern können. Laufwerke mit diesen mehrschichtigen Chips werden nach der Anzahl der Bits klassifiziert, die jede Zelle speichern kann – zwischen einem und fünf: Solid-State-Laufwerke mit Single-, Multi-, Triple-, Quad- und Penta-Level-Cell (SLC, MLC, TLC, QLC und PLC).
Von Preis und Geschwindigkeit bis hin zu Zuverlässigkeit bringen mehrschichtige SSDs ihre eigenen Vor- und Nachteile mit sich. Dieser Artikel vergleicht sie, damit Sie die Einsatzbereiche verstehen, in denen sie sich bewähren, und entscheiden können, welche Lösung für Ihre Anforderungen geeignet ist.
Mehrschichtige SSDs auf einen Blick: Vergleichstabelle
Mehrschichtige SSDs werden nach der Anzahl der Ebenen in den verwendeten NAND-Flash-Chips bezeichnet – also danach, wie viele Bits pro NAND-Zelle gespeichert werden können. Hier ein Überblick über die Unterschiede.
| SSD-Typ | Anzahl der Ebenen/Bits pro NAND-Zelle | Erwartete Lebensdauer in Programmier-/Löschzyklen | Einsatzbereich |
|---|---|---|---|
| Single-Level-Cell (SLC) | 1 | 50,000-100,000 | Schreibvorgänge mit hoher Intensität |
| Multi-Level-Cell (MLC) | 2 | 10,000 | Unternehmensrechenzentrum |
| Triple-Level-Cell (TLC) | 3 | 3,000 | Digitale Verbraucherprodukte |
| Quad-Level-Cell (QLC) | 4 | 2,000 | Leseintensive Vorgänge, KI/ML, Streaming-Medien und Content-Bereitstellung |
| Penta-Level-Cell (PLC) | 5 | n. z. | Langzeitspeicherung, Datenarchive |
So funktionieren Flash-SSDs
Flash revolutionierte die Speicherung von Unternehmensdaten in all ihren Formen, ermöglichte schnellere Boot- und Anwendungsstarts auf PCs und Mobilgeräten und sorgte für eine enorme Leistung von Speicherarrays bei Business-Analytics und anderen Workloads. Flash-SSDs übertrafen Festplattenlaufwerke (HDDs) rasch bei den meisten Leistungskennzahlen.
Neben der Geschwindigkeit gibt es weitere Vorteile: Flash-SSDs enthalten keine beweglichen Teile und sind daher langlebiger und weniger anfällig für Schäden durch abrupte Bewegungen und physische Erschütterungen als herkömmliche HDDs. Außerdem verbrauchen sie weniger Strom. Obwohl sie pro Gigabyte in der Regel mehr kosten als HDDs, rechtfertigt die bessere Leistung für viele Unternehmen den zusätzlichen Aufwand.
Flash-Speicher speichert Daten in Speicherzellen-Arrays, die durch Floating-Gate-Metalloxid-Feldeffekttransistoren (FGTs) definiert sind und eine binäre 1 oder 0 speichern. Jeder FGT besitzt zwei Gates und funktioniert wie ein elektrischer Schalter, bei dem der Strom zwischen zwei Punkten fließt –NAND-Flash wird nach dem verwendeten NOT-AND-Logikgatter benannt. Eine dauerhafte Stromversorgung ist nicht erforderlich, damit die Daten in Flash-Zellen erhalten bleiben. Wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, stellt der FGT den Speicherzellen elektrische Ladungen bereit, sodass die Daten intakt bleiben.
Obwohl SSDs keine mechanischen Teile besitzen, die verschleißen können, können sie dennoch ausfallen. Ein Maß für die Lebensdauer ist die Anzahl der Programmier-/Löschzyklen (P/E), die ein Laufwerk durchlaufen kann, bevor es sich abzunutzen beginnt und ausfällt. Die meisten mehrschichtigen SSDs verwenden Wear-Leveling, um der begrenzten Anzahl von P/E-Zyklen entgegenzuwirken und die Lebensdauer zu verlängern, indem die Zyklen gleichmäßig auf alle NAND-Zellen im Laufwerk verteilt werden.
Mehrschichtiger Flash: SLC, MLC, TLC, QLC und PLC
SSDs mit mehrschichtigem NAND-Flash werden nach der Anzahl ihrer Ebenen bezeichnet – also danach, wie viele Bits jede Zelle speichern kann.
SLC: SSDs mit Single-Level-Cell
Single-Level-SSDs speichern ein Bit pro Zelle und sind schneller als alle mehrschichtigen Solid-State-Laufwerke. Aufgrund ihrer Fähigkeit, mehr P/E-Zyklen als mehrschichtige SSDs zu bewältigen – zwischen 50.000 und 100.000 –, weisen sie außerdem eine höhere Ausdauer auf. Sie sind teurer als Multi-Level-Cell-SSDs und werden wegen ihrer Ausdauer und Geschwindigkeit häufig in Unternehmensanwendungen eingesetzt, in denen Daten ständig aktualisiert und nicht archiviert werden.
MLC: SSDs mit Multi-Level-Cell
Multi-Level-SSDs können zwei Bits pro NAND-Zelle speichern und sind langsamer als SLCs, da das Lesen und Schreiben von zwei Bits länger dauert. MLC-SSDs können an einem Floating-Gate-Transistor (FGT) vier Spannungsladungen erzeugen – 00, 01, 10 und 11 –, wobei sie dieselben Spannungsfenster wie SLC-Chips verwenden. Dadurch müssen sie beim Speichern von Daten jedoch einen zeitaufwendigen Algorithmus ausführen. Dieser Algorithmus macht MLC-SSDs bei Lese- und Schreibvorgängen nahezu viermal langsamer als eine Single-Level-Cell-SSD. Die erwartete Lebensdauer beträgt 10.000 P/E-Zyklen.
TLC: SSDs mit Triple-Level-Cell
Triple-Level-Cell-SSDs können drei Bits pro NAND-Zelle speichern und verfügen über acht verschiedene Spannungszustände. Dadurch steigt die Speicherkapazität, während die Kosten einer SSD sinken. Außerdem wird eine höhere Leistung erzielt. Bei der Ausdauer gibt es jedoch Einbußen: Für TLC-SSDs wird eine Lebensdauer von lediglich 3.000 P/E-Zyklen erwartet. TLC-NAND-Chips werden in vielen digitalen Verbraucherprodukten eingesetzt.
QLC: SSDs mit Quad-Level-Cell
Quad-Level-Cell-SSDs enthalten vier Bits pro NAND-Zelle, wodurch 16 mögliche Spannungszustände entstehen. Die zusätzlichen Bits erhöhen zwar die Kapazität und senken die Kosten, gehen aber zulasten von Ausdauer und Zuverlässigkeit. QLC-SSDs verkraften nur 1.000 P/E-Zyklen, bevor sie unzuverlässig werden.
PLC: SSDs mit Penta-Level-Cell
Penta-Level-Cell-SSDs können fünf Bits pro Zelle speichern und erzeugen dadurch 32 verschiedene Spannungszustände. So viele Bits auf engem Raum machen die Verwaltung für den Flash-Controller komplizierter. Der Unterschied zwischen den 32 Spannungszuständen ist so gering, dass die Fehlerkorrektursoftware zusätzlichen Aufwand verursacht und die Leistung sinkt. Daher handelt es sich bei PLC-SSDs um eine neue Technologie, die noch nicht für den breiten Einsatz bereit ist. Hersteller schätzen, dass sie die Herausforderungen innerhalb von zwei Jahren überwinden werden.
Vorteile mehrschichtiger SSDs
Dank ihrer höheren Kapazität und geringeren Kosten bieten mehrschichtige Solid-State-Laufwerke – insbesondere MLC- und TLC-SSDs – Verbrauchern und Unternehmen viele Vorteile gegenüber Festplattenlaufwerken. Hier sind einige der wichtigsten:
- Höhere Langlebigkeit – keine beweglichen Teile, die ausfallen oder Wärme erzeugen können
- Geräuschloser Betrieb
- Geringerer Stromverbrauch
- Vibrations- und Stoßfestigkeit
- Schnellere Lesezeiten und kürzere Bootzeiten
- Kompaktere Bauformen – passen leichter in ultradünne Laptops und Mobilgeräte
Nachteile mehrschichtiger SSDs
Obwohl SSDs und Flash im Allgemeinen als deutliche Verbesserung in der Welt der Speichermedien gelten, bringt die Technologie im Vergleich zu HDDs einige Nachteile mit sich.
Kosten
Auch wenn manche Nutzer entscheiden, dass SSDs den Aufpreis gegenüber mechanischen Festplatten wert sind, bleiben sie teurer. Eine Marktanalyse von Mitte 2023 ergab, dass externe 8-TB-SSDs für etwa 539 US-Dollar und mechanische 8-TB-Festplatten für etwa 160 US-Dollar angeboten wurden. Bei Laufwerken mit geringerer Kapazität ist der Preisunterschied kleiner: 1-TB-HDDs kosteten etwa 45 US-Dollar, 1-TB-SSDs dagegen rund 80 US-Dollar. Der Preisabstand wird mit der Zeit geringer.
Ausdauer und Zuverlässigkeit
SSDs bieten außerdem im Laufe der Zeit eine geringere Ausdauer und Zuverlässigkeit, wobei die Anzahl der P/E-Zyklen mit zunehmender Ebenen- und Kapazitätszahl sinkt. Die Lebensdauer wird auf zwei Arten gemessen: als geschriebene Terabytes (TBW) und als Laufwerksschreibvorgänge pro Tag (DWPD). TBW gibt an, wie viele Terabytes an Daten während der Lebensdauer einer SSD geschrieben werden können, bevor sie ersetzt werden muss. DWPD ist dagegen eine Ausdauerbewertung, die angibt, wie oft Nutzer eine bestimmte Anzahl von Gigabytes pro Tag über eine bestimmte Anzahl von Jahren neu schreiben können, bevor die SSD unzuverlässig wird.
Datenwiederherstellung
Daten lassen sich in manchen Fällen von beschädigten oder fehlerhaften SSDs wiederherstellen, doch das ist nicht so einfach oder geradlinig wie bei HDDs. Anders als HDDs können SSDs nur große Datenblöcke löschen. Ist ein Block nicht groß genug zum Löschen, verschiebt das Laufwerk ihn vorher und löscht ihn anschließend, wodurch zusätzliche Schreibzyklen entstehen und die Lebensdauer sinkt. Wird in einem unterstützten Betriebssystem der sogenannte TRIM-Befehl aktiviert, informiert dieser die SSD darüber, dass Blöcke nicht mehr verwendet werden und zur Löschung markiert werden können. Das verlängert zwar die Lebensdauer, beeinträchtigt aber die Wiederherstellung. Sobald ein TRIM-Befehl ausgeführt wurde, können diese Daten nicht mehr wiederhergestellt werden.
Erfahren Sie mehr darüber, wie man die Lebensdauer einer SSD schätzt.
Einsatzbereiche mehrschichtiger SSDs
Unternehmen, die mehrschichtige SSDs auswählen und kaufen möchten, haben eine große Auswahl. Die Auswahlkriterien hängen vom geplanten Einsatzzweck ab. Sind Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit entscheidend? Werden die SSDs für intensive Lese-/Schreibvorgänge oder lediglich zur Langzeitspeicherung eingesetzt? Hier sind die häufigsten Einsatzbereiche in Unternehmen, die Ihnen bei der Entscheidung helfen.
Schreibvorgänge mit hoher Intensität
Die hohe Ausdauer von Single-Level-Cell-SSDs mit 100.000 P/E-Zyklen, ihre Leistung und Zuverlässigkeit machen sie für Unternehmensanwendungen geeignet, die Schreibvorgänge mit hoher Intensität erfordern. SLC-SSDs kosten zwar mehr, doch Leistung und Zuverlässigkeit rechtfertigen den Preis.
Unternehmensdatenserver
Der Preis, die Leistung und die Ausdauer von MLC- und Triple-Level-Cell-SSDs von 10.000 P/E-Zyklen machen sie zu den beiden beliebtesten Typen für den Einsatz auf Unternehmensservern. Viele Unternehmen kombinieren TLCs und MLCs, um die DWPD-Anforderungen für schreibintensive Vorgänge zu erfüllen.
Leseintensive Vorgänge
Quad-Level-Cell-SSDs eignen sich am besten für intensive, leseorientierte Vorgänge in den Bereichen Datenanalyse, NoSQL-Datenbanken sowie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen (KI/ML). Auch für Streaming-Medien und Content-Delivery-Netzwerke sind sie gut geeignet.
Datenarchive und Langzeitspeicherung
Penta-Level-Cell-SSDs sind derzeit zwar noch nicht auf dem Markt erhältlich, doch die Hersteller arbeiten daran, Herausforderungen bei der Spannung, Fehler und Bedenken hinsichtlich der Haltbarkeit zu beheben. Es wird erwartet, dass sie sich ideal für Archivierungs- und Langzeitspeicheranwendungen konfigurieren lassen, die nicht auf einer hohen Schreibfrequenz oder hohen Schreibgeschwindigkeit beruhen.
Fazit: Was Sie über mehrschichtige SSDs wissen müssen
Mehrschichtige Solid-State-Laufwerke basieren auf NAND-Flash-Chips, die mehrere Bits pro Zelle speichern können, und übertreffen herkömmliche Festplattenlaufwerke bei nahezu jeder Leistungskennzahl. Damit sind sie für Unternehmenseinsätze attraktiv, die auf die hohen Geschwindigkeiten und die Langlebigkeit angewiesen sind, die sie bieten. Die Technologie ist jedoch noch jung. Solange die Hersteller nicht alle Kinderkrankheiten beseitigt haben, weist sie weiterhin Einschränkungen auf – darunter eine kürzere Lebensdauer und höhere Kosten –, und zwar nicht nur gegenüber HDDs, sondern auch gegenüber Single-Level-Cell-SSDs. Je nach Einsatzbereich werden die meisten Unternehmen bereits jetzt eine mehrschichtige SSD finden, die ihren Anforderungen entspricht – und mit zunehmender Reife der Technologie auch in Zukunft.
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