Solid-State-Laufwerke (SSDs) erhöhen für Unternehmen die Datenlese- und -schreibraten und beschleunigen dadurch ihre Fähigkeit, kritische Anwendungen zu unterstützen. Im Rechenzentrum sind SSDs eine Lösung für Enterprise-Workloads, deren Leistung unter festplattenbasierten Speicher-Arrays und Serverspeicher-Subsystemen leidet. Mit der zunehmenden Beliebtheit und Verfügbarkeit von Hybrid- und All-Flash-Arrays bewältigt SSD-Speicher intensive Workloads mit sehr hoher Ein-/Ausgabeleistung. SSDs haben außerdem den Vorteil eines geringen Energieverbrauchs, wodurch Rechenzentren ihre Energiekosten besser im Griff behalten. Dieser Leitfaden zu SSDs behandelt ihre Vor- und Nachteile für Unternehmen.
Was ist eine SSD?
Eine SSD ist ein Speichergerät ohne bewegliche mechanische Teile, das Flash-Speicher und Controller enthält. Einige SSDs verwenden dieselben externen Formfaktoren wie Festplatten, da sie als HDD-Ersatz vermarktet werden. Das bedeutet, dass sie in die gleichen physischen Rahmenbedingungen der meisten vorhandenen Speicher-Arrays passen und weder auf Werks- noch auf Rechenzentrumsebene eine umfassende Neuplanung erfordern.
Solid-State-Laufwerke verwenden entweder NAND- oder NOR-Flash, zwei unterschiedliche Arten von Gattern in den elektrischen Schaltungen, die sie mit Strom versorgen. Dieser Artikel konzentriert sich auf NAND-Flash, das wesentlich häufiger eingesetzt wird als NOR.
NAND ist nicht auf SSD-Medien beschränkt. Die Speicherzellenarchitektur wird auch auf Leiterplatten verwendet, die in SSDs untergebracht oder direkt in einen Server oder ein anderes Gerät integriert sein können. Dennoch wird der Großteil des NAND-Flashs über Solid-State-Laufwerke in Speicher-Arrays bereitgestellt, die den Kern des nichtflüchtigen Flash-Speichers für Unternehmen bilden.
Flash und SSD sind keine austauschbaren Begriffe – NAND-Flash-Speicher ist eine Art nichtflüchtiger Speicher, in dem Silizium-Speicherchips Daten dauerhaft mit oder ohne externe Stromquelle speichern. Und SSDs sind nicht auf NAND-Flash beschränkt. Sie enthalten auch Speichertechnologien wie flüchtigen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM).
Da SSDs keine beweglichen Teile haben, arbeiten sie deutlich leiser und bieten schnellere Zugriffszeiten. SSDs verbrauchen insgesamt auch weniger Energie als Festplatten.
So funktionieren SSDs
SSDs speichern Informationen in Speicherzellen-Arrays, die auf einer Leiterplatte integriert sind. Bei den Speicherzellen handelt es sich im Wesentlichen um Transistoren mit Floating-Gates. Jeder Transistor besitzt zwei Gates: Das eine ist eine Source, die Strom einlässt, und das andere der Drain, der ihn ableitet. Die Speicherzellen fungieren als Schalter, die den Energiefluss zwischen Source- und Drain-Anschlüssen steuern.
Als Floating-Gate-(FG-)Transistoren bezeichnete Halbleiter erzeugen elektrische Ladungen für die Speicherzellen, unabhängig davon, ob sie an eine externe Stromquelle angeschlossen sind oder nicht (mit der Zeit verliert eine ausgeschaltete SSD Energie). Solange die Ladung des FG ausreicht, bleiben die Daten intakt.
Speicherzellen können ein oder mehrere Bits pro Zelle enthalten. In einer Single-Level-Cell (SLC) erkennt das Steuer-Gate, ob ein Floating-Gate mit Elektronen geladen ist oder nicht. Daraufhin speichert das Steuer-Gate entweder 0 oder 1 Byte. Multi-Level-Cells (MLC) funktionieren auf ähnliche Weise.
Die SSD enthält nicht nur die miteinander verbundenen Speicherzellen und Leiterplatten, sondern auch den Flash-Controller, der auch als SSD-Controller bezeichnet wird. Der Controller verwaltet die Verbindung mit dem Gerät selbst sowie zusätzliche Funktionen wie Fehlerkorrektur und Komprimierung.
Vorteile von SSDs
Beim Vergleich von Solid-State-Laufwerken und Festplatten glänzen SSDs wirklich. Sie bieten Verbesserungen bei Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Haltbarkeit.
Höhere Leistung
Selbst die schnellste Festplatte mit 15.000 U/min kann nicht mit der Leistung von NAND-Flash-SSDs mithalten. Die Spitzengeschwindigkeiten von SSDs auf Basis von Non-Volatile Memory Express (NVMe) können bis zu 20–40-mal höher sein als bei Festplatten. Der Grund ist physikalischer Natur: Eine Festplatte mit mechanischen Komponenten, die ständig in Gebrauch sind, fällt schneller aus als eine SSD ohne mechanische Teile. Statt mechanischer Arme und Leseköpfe nutzt die SSD Elektrizität, um Reaktionen zur Datenspeicherung zu erzeugen. Höhere Leistung bedeutet eine kürzere Bootzeit, schnellere Datenübertragung und höhere Bandbreite.
Geringerer Energieverbrauch
Die beweglichen mechanischen Teile von HDDs benötigen mehr Energie als die winzigen Mengen elektrischen Stroms, die durch die Speicherzellen von SSDs fließen. SSDs vermeiden außerdem die starke Wärmeentwicklung, die Hunderte rotierender Festplatten in einem Rechenzentrum erzeugen und die erhebliche Investitionen in HLK-Anlagen und Klimaregelung erfordert.
Das ist besonders für Unternehmen mit mehreren großen Rechenzentren von Vorteil – diese benötigen Wartung und Energie. Beides so weit wie möglich zu reduzieren, senkt nicht nur die Kosten, sondern verbessert auch die Nachhaltigkeit des Unternehmens insgesamt.
Vergleichbare Haltbarkeit
Die Haltbarkeit von SSDs und HDDs unterscheidet sich. Die mechanischen Teile und Plattenoberflächen von HDDs sind anfälliger für Umweltschäden als SSDs, obwohl neue Technologien Festplatten zunehmend gegen Schäden durch Herunterfallen schützen. SSDs können außerdem nicht über lange Zeit ausgeschaltet bleiben, ohne dass Energie entweicht, während ausgeschaltete HDDs in kontrollierten Umgebungen Jahrzehnte halten können.
Die Haltbarkeit von SSDs verbessert sich jedoch durch Speicherintelligenz, die dem Controller hinzugefügt wird. Diese Technologien schützen das Laufwerk vor Datenverlust oder -beschädigung. Dazu gehören Fehlerkorrekturcodes (ECC), Garbage Collection sowie Lese- und Schreib-Caching.
Lesen Sie mehr über die besten NVMe-SSDs.
Nachteile von SSDs
SSDs sind zwar vorteilhaft, aber nicht perfekt. Zu ihren Nachteilen gehören höhere Kosten, eine begrenzte Speicherkapazität und ein kürzerer Lebenszyklus als bei Festplatten.
Höhere Gesamtkosten
Die Preise von SSDs pro GB sind in den vergangenen Jahren erheblich gesunken, aber auch Festplatten sind günstiger geworden. Dennoch sind die Kosten von Flash-Laufwerken so weit gesunken, dass ihre höhere Leistung kosteneffizient wird. Die Leistung ist entscheidend: Wenn Festplatten Transaktionsdatenbanken und andere intensive Anwendungen ausbremsen, ist der Kauf von Festplatten aus Kostengründen eine Milchmädchenrechnung.
Dabei sollte man bedenken, dass die Preise stark von der jeweiligen Hardware abhängen. Hochkapazitive, hochwertige Festplatten für die Archivierung in Unternehmen können deutlich mehr kosten als eine günstige NVMe-SSD für einen PC.
Geringere Speicherkapazität
Die Kapazität von NAND-SSDs liegt aufgrund der Einschränkungen beim Beschreiben von NAND-Speicherzellen hinter der von HDDs zurück. Je mehr Speicherzellen sich auf einer Schaltung befinden, desto höher ist die Dichte der SSD. Planarer (zweidimensionaler) NAND kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Speicherzellen aufnehmen, bevor die Zellen ausfallen.
Als Reaktion darauf entwickelten Forscher 3D-NAND durch vertikales ebenso wie horizontales Stapeln von Speicherzellen. Dadurch erreicht 3D-NAND eine höhere Dichte, einen geringeren Energieverbrauch, eine bessere Lebensdauer sowie schnellere Lese- und Schreibvorgänge bei geringeren Kosten pro Gigabyte. Diese Verbesserungen haben es Herstellern ermöglicht, die SSD-Speicherkapazität zu erhöhen.
Insgesamt haben Festplatten auf Enterprise-Ebene jedoch typischerweise eine größere Kapazität. Sie können bis zu 20 TB speichern, während ein hochwertiges NVMe-Laufwerk gewöhnlich bei etwa 8 TB endet.
Kürzerer Lebenszyklus als bei HDDs
SSDs haben vor ihrem Ausfall einen deutlich stärker begrenzten Schreibzyklus als HDDs. Der Hauptgrund dafür ist, dass SSDs vorhandene Blöcke nicht überschreiben können, sondern Blöcke zunächst löschen und anschließend neue Daten schreiben müssen. Dieser Prozess beeinträchtigt schließlich die Integrität der Speicherzelle. Die maximale Anzahl von NAND-Schreibvorgängen unterscheidet sich je nach Anzahl der Bits pro Zelle:
- NAND-Flash mit Single-Level-Cells – 50.000 bis 100.000 Schreibzyklen
- Multi-Level-Cell – 3.000 Schreibzyklen
- eMLC (Enterprise-MLC) – 10.000–30.000 Schreibzyklen
- Triple-Level-Cells – 300–1.000 Schreibzyklen
- 3D-NAND – 1.500–3.000 Schreibzyklen
Ungeeignet für die Archivierung
Unternehmen möchten auf ihre Datenarchive zugreifen, sie analysieren und monetarisieren können. Aufgrund ihrer begrenzten Anzahl an Schreibzyklen eignen sich SSDs nicht für aktive Archive und wiederholte Analysen derselben Datensätze. Da aktive Archive gerade den bedarfsgerechten Zugriff auf Daten ermöglichen sollen, übersteigt dies die Anzahl der Schreibzyklen, denen die Speicherzellen standhalten können.
Außerdem sind schnelle SSDs für die langfristige Speicherung oft zu teuer. Die geringeren Gesamtkosten und die höhere Kapazität von Festplatten machen sie für die Kaltarchivierung geeigneter.
Lohnen sich SSDs als Investition?
SSDs bieten zwar Vorteile für Speicherumgebungen, insbesondere bei kritischen Workloads, können aber die Anschaffungskosten für Speichermedien erhöhen und mehr Laufwerkswechsel erfordern als Festplatten. Sind SSDs den zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand wert?
In Hochleistungsumgebungen: ja. Da einige SSD-Formfaktoren mit denen von HDDs identisch sind, ist der Austausch von Festplatten durch SSDs nicht immer eine umfassende technologische Erneuerung. Und aufgrund ihrer höheren Leistung und sinkenden Preise sind SSDs in Rechenzentren weiterhin äußerst vorteilhaft.
Angesichts dieser Vor- und Nachteile sind SSDs eine ausgezeichnete Wahl für intensive Enterprise-Workloads wie stark transaktionsorientierte Datenbanken, Web-Streaming und dichte Umgebungen wie Infrastrukturen virtueller Desktops (VDI). Zwar können sie einen erheblichen Zeitaufwand erfordern – insbesondere wenn Ihr Unternehmen auf NVMe-basierte Laufwerke umsteigt –, doch sie lohnen sich, weil sie die Anforderungen Ihres Unternehmens an den schnellen Datenzugriff für die wichtigsten Anwendungen besser erfüllen können.
Fazit: SSDs für Unternehmen
Die schnelleren Zugriffszeiten von SSDs verbessern die Leistung kritischer Anwendungen, da sie schneller auf Daten zugreifen können. Ihre Energieeffizienz steigert die Produktivität im Rechenzentrum. Zwar eignen sich bestimmte SSDs nicht perfekt für alle Speicherumgebungen, doch sie sind für viele Systeme von Vorteil. Überlegen Sie sorgfältig, welche Anwendungen schnellen Zugriff benötigen und welche eine Archivspeicherung erfordern. So können Sie feststellen, welche Umgebungen SSDs benötigen.
Berücksichtigen Sie außerdem, welche SSDs für die verschiedenen Speicherumgebungen am besten geeignet sind. Günstigere SSDs können zu einem angemessenen Preis in großen Mengen gekauft werden, während Sie möglicherweise einige wenige hochwertige, teurere Laufwerke für Ihre kritischsten Anwendungen anschaffen möchten. Lange Zeit waren SSDs nicht so kosteneffizient wie Festplatten. Die jüngsten Fortschritte bei Speichertechnologien und der Speichermarkt insgesamt haben SSDs jedoch für alle Unternehmen rentabel gemacht – von Großunternehmen bis hin zu Start-ups.
Lesen Sie als Nächstes mehr über die besten SATA-SSDs.