Die Lebensdauer und der Lebenszyklus von SSDs

Im Gegensatz zu herkömmlichen Festplatten werden die Daten in SSDs nicht auf einer magnetischen Oberfläche, sondern innerhalb von Flash-Speicherchips (NAND-Flash) gespeichert. Vom Design her besteht eine SSD aus einem Motherboard, einigen Speicherchips (abhängig von der Größe des Speichers in GB) und einem Controller, der alle Operationen steuert. Der Speicher eines SSD ist nicht-flüchtig, das heißt er kann Daten ohne Strom vorhalten. Dabei kann man sich die Daten als eine elektrische Ladung vorstellen, die in jeder Zelle festgehalten wird. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage: Wie lange ist die Lebensdauer oder der Lebenszyklus einer SSD?

Flash-Speicher-Typen und der Verschleiß der Speicherzellen

Es ist bekannt, dass durch Schreibvorgänge die Speicherzellen einer SSD verschleißen, wodurch seine Lebensdauer reduziert wird. Aber verschleißen die gespeicherten Daten alle in der gleichen Art und Weise? Die Antwort auf diese Frage ermöglicht uns mehr über den potenziellen Lebenszyklus unserer SSD zu erfahren.

Die Speicherbausteine, die in Flash-Chips verwendet werden, sind nicht alle gleich, tatsächlich gibt es drei unterschiedliche Arten von NAND:

• SLC (Single Level Cell/ Einzel-Ebenen-Zelle) - 1 Daten-Bit pro Zelle
• MLC (Multi Level Cell/ Mehr-Ebenen-Zelle) - 2 Daten-Bits pro Zelle
• TLC (Triple Level Cell/ Drei-Ebenen-Zelle) oder 3-Bit MLC – 3 Daten-Bits pro Zelle

Man kann also feststellen: Je mehr Ebenen eine Zelle hat, desto mehr Bits sind in einer Zelle vorhanden und in der Konsequenz können am Ende mehr Hochleistungs-Chips mit höherer Speicherdichte hergestellt werden. Dank des technologischen Fortschritts können heute SSDs mit mehreren GB an Speicherplatz zu geringen Kosten erworben werden. Kein Wunder, dass ein aktueller Bericht die fortschrittlichsten Speicherchips – TLC – einen Anteil von 50% aller NAND Chips attestiert, mit 15-20 % geringeren Herstellungskosten im Vergleich zu den MCL Chips.

Allerdings gibt es eine Kehrseite: Wenn mehr Bits in die Zellen hinzugefügt werden, verringert das die Zuverlässigkeit, die Langlebigkeit und die Leistung des Chips und in der Folge auch der gesamten SSD. Es ist ziemlich einfach den Zustand einer SLC-Zelle zu bestimmen (leer/voll), das gleiche bei für MLC-Zellen durchzuführen dagegen ist deutlich schwieriger. Darüber hinaus erfordert eine TLC-Zelle das 4fache der Schreibzeit und das 2,5fache der Lesezeit einer SLC-Zelle. Wenn man also den Lebenszyklus einer SSD und das Speichern mehrerer Bits pro Zelle zusammen beleuchtet, bedeutet das, dass hier der Verschleißprozess der NAND-Speicher schneller abläuft.

Eine Speicherzelle besteht aus einem sogenannten Floating-Gate Transistor. Der Transistor besteht dabei aus Sperr-Ebenen: Dem Control Gate und dem Floating Gate, die jeweils mit einer Oxidschicht voreinander getrennt sind. (Die Illustration zeigt dabei die Anordnung der Ebenen). Jedes Mal, wenn Operationen auf einer SSD ausgeführt werden, wie beispielsweise Beschreiben oder Löschen der Zelle, wird die Oxidschicht, die die Elektronen auf dem Floating Gate gefangen hält, geschwächt. In der Folge kann, wenn also die Oxidschicht geschwächt wird, auch eine Elektronenaufnahme aus dem Floating-Gate auftreten.

Da der Zustand der NAND-Zelle durch die Anzahl der Elektronen auf dem Floating Gate dargestellt wird, können einige wenige Elektronen den Unterschied zwischen einem Zustand und einem anderen Zustand ausmachen. Bei einer SLC-Zelle fällt das Problem weniger auf, denn hier müssen nur zwei Zustände erkannt werden, aber bei TLC-Zellen (oder den 3Bit-MLCs) ist das Problem deutlich ernster, denn hier müssen 8 Zustände beachtet werden. Darüber hinaus nimmt durch die Fortschritte beim Produktionsprozess die verwendete Geometrie, die verwendet wird, immer weiter ab und die Oxidschicht wird immer dünner. Der Verschleiß und in der Folge auch Datenverluste nehmen zu, da die Zellen immer weniger in der Lage sind, die elektrische Ladung zu bewahren.

Wie lange kann eine SSD laufen?

Das ist wahrscheinlich die 1 Million Euro Frage, natürlich ist es nicht möglich diese Frage sowohl einfach als auch wissenschaftlich präzise zu beantworten, aber… wir wollen es trotzdem versuchen. Lesen Sie einfach weiter!

Der Trend bei den SSDs geht dazu, dass die Hersteller sich auf die Entwicklung von Produkten auf Basis von 3-Bit-MCL oder TLC Speicher konzentrieren. Der TLC-Speicher beginnt dabei den Markt für SSDs zu dominieren. Es scheint, dass der Einsatz der 2-Bit-MLC-Technologie in Bezug auf Haltbarkeit und Leistung übertrieben ist und die Eigenschaften und Vorteile der SLC-Technologie nur bei sehr wenigen Anwendungen notwendig ist und dass diese fast vollständig zu verschwinden droht. Mit anderen Worten haben sich die Hersteller dazu entschlossen, lieber die Kosten zu reduzieren als den Fokus auf die Lebensdauer der Flash-Speicher zu legen, um eine große Verbreitung und hohen Speicherplatz zu erreichen.

Jedoch scheint es, als dass man sich keine Sorge über die Lebensdauer einer SSD machen muss. In einem von TechReport mit 6 Solid State Drives durchgeführten Experiment – einem Test, um zu überprüfen wie SSDs mit Schreibvorgängen zurechtkommen – zeigte sich, dass 2 von 6 SSDs, also mehr als 30 Prozent der Laufwerke, Schreiboperationen mit 2 PB an Daten problemlos bewältigen konnten und alle anderen waren ebenfalls in der Lage hunderte an TBs ohne Ausfälle zu schreiben.

Wenn man also Schreibvorgänge von 2 TB pro Jahr annimmt, zeigen die Ergebnisse dieses Experiments, dass die Lebensdauer 1000 Jahre beträgt (2 PB=2000 TB/ 2TB year = 1000 Jahre). Selbst wenn man seine SSD mit mehr als 2 TB pro Jahr mit Daten füllt, bedeutet das immer noch, dass man das Laufwerk problemlos Jahr für Jahr für Jahr beschreiben kann.

Überwachen Sie den Gesundheitszustand eines Solid State Drive

Genauso wie bei Magnet-Festplatten (HDDs) gibt es auch bei SSDs einen MTBF Wert (Mean Time Between Failure). Die technischen Datenblätter der SSDs zeigen, dass der Zuverlässigkeits-Wert zwischen 1,5 bis 2 Millionen Stunden liegt. Auch die S.M.A.R.T. Technologie findet bei SSDs Anwendung. Wenn sie aktiviert ist, kann diese Technologie darüber vorher informieren, wenn der Schwellwert eines oder mehrerer festgelegter Betriebsparameter einer SSD überschritten wird. Mehr Informationen über MTBF und S.M.A.R.T. kann man auch noch in einigen früheren Blog-Artikeln erhalten…

In der Regel liefern die SSD Hersteller zusammen mit ihren Produkt auch spezielle Hilfsprogramme, die nicht nur die S.M.A.R.T Parameter anzeigen können, sondern auch die Gesamtzahl der bereits auf das Laufwerk geschriebenen Daten. Darüber hinaus bieten die Tools auch eine künstliche Indikation über ihren Gesundheitszustand. Hier als Beispiel das Ergebnis der Samsung Magician Software.

Bei dem gezeigten Beispiel einer SSD wurden auf ihr bereits 3TB an Daten geschrieben, der Gerätestatus ist „gut“ und die S.M.A.R.T Parameter sind ebenfalls alle „OK“.

Einige Hilfsprogramme gehen sogar noch weiter und versuchen die verbleibende Lebensdauer des Laufwerks auf Basis der bisher stattgefundenen Nutzung zu berechnen.

Ein Beispiel eines solchen Tools zeigt der nebenstehende Screenshot, wobei die getestete Festplatte sich bester Gesundheit erfreut und ihre prognostizierte Lebensdauer noch bei mehr als neun Jahren liegt. Wir nutzten dazu die Software SSDLife von BinarySense (http://ssd-life.com). Sicherlich gibt es auch andere Werkzeuge auf dem Markt, die noch besser Ihre ganz persönlichen Anforderungen bedienen.

Einige Tipps für ein gesundes „Leben“ Ihrer SSD

Hier einige Vorsichtsmaßnahmen, um Ihr Laufwerk für eine lange Zeit gesund zu halten:

• Defragmentieren vermeiden – Es gibt keine Notwendigkeit ein Defragmentierungs-Dienstprogram einzusetzen, um eine Datenfragmentierung auf der SSD zu reduzieren. Diese Operation wird bei Festplatten verwendet, um die Bewegungen (und die Zeit) zu reduzieren, die die Schreibleseköpfe benötigen, um auf die verschiedenen (Daten-) Fragmente (Cluster) zuzugreifen. Aber bei einer SSD haben alle Speicherzellen die gleiche Zugriffszeit und deshalb ist diese Operation völlig unnötig und sogar schädlich. Die Schreiboperationen, die die Cluster in angrenzende Räume verschieben, verringern letztlich die Funktionsfähigkeit des Speichers.

• Überfrachten Sie den Speicher nicht mit zu vielen Daten und nutzen Sie kein Over-Provisioning – Verwenden Sie das SSD-Laufwerk nicht bis an die Grenze seiner Kapazität. Viele Hersteller implementieren in ihre Laufwerke das sogenannte Over-Provisioning, d.h. sie reservieren freien Platz auf dem SSD – in der Regel rund 10%. Dieser Raum, der nicht für die Anwender oder das Betriebssystem zugänglich ist, wird von der SSD als eine Art Pufferspeicher für die temporäre Speicherung von Daten genutzt, während der Controller die Löschung der NAND-Flash Blocks vornimmt, freie Blöcke für die Nutzung vorbereitet und die Daten „bewegt“ um sicherzustellen, dass alle Zellen gleichmäßig genutzt werden (Wear-Leveling-Algorithmen).

• Aktivieren von TRIM im Betriebssystem – Die meisten SSD-Laufwerke integrieren eine Funktion namens „Garbage Collection (GC)“, die die Speicherzellen darauf vorbereiten neue Daten zu empfangen. Wenn der TRIM-Befehl genutzt wird, benachrichtigt das Betriebssystem das SSD, wenn Daten als löschbar markiert sind und das OS sendet diesen Befehl jedes Mal zum Laufwerk, wenn Sie eine Datei löschen. Stellen Sie sicher, dass Ihr Betriebssystem den TRIM-Befehl unterstützt und prüfen Sie, ob TRIM aktiv ist.

• Verwenden Sie ein SSD-Laufwerk dort, wo es sinnvoll ist – Auf jeden Fall ist ein wesentlicher Vorteil einer SSD die hohe Lesegeschwindigkeit, während Schreiboperationen die SSD schneller altern lassen und langsamer sind, weil - bevor ein Block beschrieben werden kann - muss er gelöscht werden. Daraus folgt, dass die SSD besonders dort bessere Leistungen und Vorteile bei Anwendungen bietet, wo voranging Datenauslesen statt Datenschreiben gefordert ist.

Und ein Vorschlag gilt schließlich für alle Geräte: Machen Sie ein Backup Ihrer Daten in regelmäßigen Abständen. Die geschätzte Lebensdauer einer SSD durch die Software-Tools garantiert nicht die Funktionsfähigkeit des Gerätes bis zu einem festen End-Datum und kann darüber hinaus auch nicht unerwartete Ereignisse wie Stöße, Stromschläge, menschliche Fehler oder andere Umstände, die zu Schäden führen können, berücksichtigen. Alle diese Ereignisse können dazu führen, dass trotz der noch langen Lebensdauer der SSD die Daten nicht angesprochen werden können oder gar verloren sind.