Solid State Drive
Das Solid-State-Drive oder Halbleiterlaufwerk ist im Gegensatz zur Festplatte ein vollständig elektronisches Speichermedium. Es besteht aus mehreren Halbleiterbausteinen (sog. Flash-Speicher), die sich durch hohe Übertragungsraten und niedrige Zugriffszeiten auszeichnen.
Aufbau
Eine SSD besteht aus einem Steuerungschip (Controller), einem schnellen Pufferspeicher (Cache) und mehreren Flash-Speicherbausteinen, in denen die Daten aufbewahrt werden. Flash-Speicher bestehen wie Arbeitsspeicher (DRAM) aus vielen Millionen Zellen. Eine einzelne Zelle besteht aus einem Transistor, dessen unterschiedliche Ladungszustände die Zahlen EINS und NULL darstellen. Folglich kann pro Zelle die Informationseinheit 1 Bit gespeichert werden. In SSDs werden 4 verschiedene Typen von Flash-Speichern eingesetzt:
Flash-Typ | SLC (Single-Level Cell) | MLC (Multi-Level Cell) | TLC (Triple-Level Cell) | QLC (Quad-Level Cell) |
---|---|---|---|---|
Bit pro Speicherzelle | 1 | 2, 4 | 3 | 4 |
Preis | sehr hoch | hoch | mittel | gering |
Schreibgeschwindigkeit | sehr hoch | hoch | mittel | gering |
Dauer eines Löschvorgangs (ms) | 1,5 - 2 | 3 | 5 | >6 |
Lebensdauer (Anz. Schreibvorgänge) | 100.000 | 3.000 | 1.000 | 100 |
Unterschiede zwischen DRAM- und Flash-Speicherzellen
DRAM-Speicher
Autor: JürgenZ. [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]
- Wenn keine Spannung anliegt, ist der Transistor nicht-leitend bzw. gesperrt. In diesem Zustand wird die Ladung im Floating-Gate bzw. in der Ladungsfalle auch über viele Jahre hinweg aufrechterhalten.
- Schreibzustand: Beim Anlegen einer ausreichend hohen positiven Spannung (~10 V) wird der Transistor in den Schreibzustand versetzt: Einzelne Elektronen können infolge des Tunneleffekts die Sperrschicht überwinden und so das Floating-Gate aufladen. Der Kanal wird nicht-leitend (Eins-Zustand).
- Löschzustand: Wird hingegen eine hohe negative Spannung angelegt, wird der Transistor in den Löschzustand gebracht: Die Elektronen werden wieder aus dem Floating-Gate hinausgetrieben, wodurch dieses wieder entladen wird. Der Kanal wird leitend (Null-Zustand).
- Lesezustand: Liegt die normale Betriebsspannung (3,3 V) an, befindet sich der Transistor im Lesezustand und ist bei ungeladenem Floating-Gate leitend (Null-Zustand) und bei geladenem Floating-Gate nicht-leitend (Eins-Zustand).
Durch Verwendung zusätzlicher Spannungs- bzw. Ladungspegel können mehrere Bits in der Zelle gespeichert werden: MLCs haben 4 unterschiedliche Ladungspegel (00, 01, 10, 11 = 2 Bit), TLCs 8 Ladungspegel (= 3 Bit) und QLCs sogar 16 Ladungspegel (= 4 Bit). Allerdings wird die Auswertung bzw. Erkennung des Ladungspegels aufgrund kleinerer Toleranzen mit zunehmender Speicherdichte schwieriger, wodurch die Anzahl fehlerhafter Bits zunimmt.
NAND-Flash-Speicher
V-NAND-Flash-Speicher
Funktionsweise
Zum besseren Verständnis soll im Folgenden die Funktionsweise anhand eines Beispiels erläutert werden.
Schnittstellen und Bauformen
SATA-SSDs
NVMe-SSDs
1 TB NVMe-SSD von Samsung als M.2-Karte