SSD statt Festplatte: Vorteile, richtige Auswahl und Einrichtung

SSD als Systembeschleuniger

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Wer von HDD-Festplatte zu SSD wechselt, verpasst seinem Betriebssystem einen immensen Geschwindigkeitsschub. Wir erklären, wie Sie Solid State Drives richtig einbauen und wie die Technik funktioniert.

Ob eine SATA-SSD die Daten nun mit 400 oder 550 MByte/s – und damit mit der mindestens zwei- oder dreifachen Geschwindigkeit einer normalen Festplatte – liefert, merkt man als Anwender selten. Entscheidend für das spürbar höhere Arbeitstempo ist vielmehr, dass eine SSD viele Anforderungen ohne nennenswerten Zeitverzug quasi gleichzeitig abarbeiten kann, denn sie muss nicht wie eine Festplatte mechanische Köpfe über die Spuren scheuchen.

Die Beschleunigung gegenüber einer Festplatte merkt man daher vor allem beim Start von Windows oder größerer Anwendungen, weniger beim Laden einer einzelnen Datei. Der Windows-Start verkürzt sich auf rund 20 Sekunden; mit einer Festplatte dauert es doppelt so lange. Außerdem ist eine SSD lautlos und unempfindlich gegenüber Erschütterungen – man kann das Notebook also auch mal hart auf den Tisch setzen, ohne Angst um seine Daten haben zu müssen.

Mindestens 250 GByte sollten es heute schon sein. Diese Kapazität bietet reichlich Platz für Windows oder Linux, einige Anwendungen und die Arbeitsdateien. Eine SSD mit nur 128 GByte mag auf den ersten Blick zwar reichen, aber spätestens nach diversen Windows-Updates wird es eng. Spieler, deren Steam-Pakete mehr als 50 GByte umfassen, greifen besser gleich zu 512 GByte oder gar einem TByte Speicherplatz. Nach oben setzt nur der Geldbeutel eine Grenze – die derzeit größten SATA-SSDs stammen von Samsung und fassen 4 TByte. Größere SSDs gibt es zwar auch, aber nur mit dem bei Servern üblichen SAS-Anschluss.

Die Preise für 250 GByte große SSDs haben sich derweil deutlich unterhalb von 100 Euro eingependelt, selbst unter 70 Euro finden sich Modelle bekannter Hersteller. Die meisten Anbieter haben mehrere SSD-Varianten im Programm. Die teureren unterscheiden sich im Lieferumfang von den günstigeren: So liegt häufig ein Umzugsprogramm zum Überspielen der alten Windows-Installation bei. Weniger offensichtlich sind die Unterschiede bei den inneren Werten. Bei teureren SSDs setzen die Hersteller auf leistungsfähigere Controller und besseres Flash. Auch geben sie häufig eine längere Garantie.

Laut Marktforschern haben Festplatten (HDD) mit jährlich 5 Prozent eine höhere Ausfallrate als SSDs, von denen nur rund 1,5 Prozent ausfallen. Dennoch sollte man sich nicht darauf verlassen, dass die SSD schon halten wird: Ein Backup ist weiterhin Pflicht.

Ein Backup ist auch vor einem Firmware-Update wichtig, denn nicht immer klappt das problemlos. Daher sollte man bei Firmware-Updates lieber vorsichtig sein und zunächst einschlägige Foren besuchen, um sich über die Folgen eines Updates zu informieren.

Eine Gefahr für die Daten auf der SSD können Beschleunigungs-Tools sein, wie sie etwa Samsung in Form des Rapid Mode bereitstellt. Diese richten einen Cache im RAM des PCs ein und speichern Daten erst, wenn die SSD gerade nichts zu tun hat. Bei einem Stromausfall allerdings sind alle noch nicht geschriebenen Daten futsch.

Fällt das Notebook in fremde Hände, liegen auch die Daten auf der SSD offen – dagegen hilft Verschlüsselung. Als Standard hat sich eine AES-Verschlüsselung mit 256 Bit etabliert, die von vielen SSDs unterstützt wird. Einge können zudem mit TCG Opal 2.0 und IEEE 1667 umgehen und so mit Microsofts Sicherheitssoftware Bitlocker zusammenarbeiten: Bitlocker übernimmt die Verwaltung und die Interaktion mit dem Anwender, die SSDs die Verschlüsselung – daraus entsteht ein sogenanntes eDrive, das auch in eine unternehmensweite Sicherheitsinfrastruktur eingebunden werden kann.

SSD-Typen: SATA und M.2

Solid-State Disks – oder auch Solid-State Drives, beide Begriffe sind geläufig – gibt es nicht bloß mit SATA-Anschluss und in der Größe von Notebook-Festplatten, sondern auch in vielen anderen Ausführungen. Manche sind praktische Alternativen zur 2,5-Zoll-Massenware, andere glänzen bloß in besonderen Einsatzgebieten.

Bei den 2,5-Zoll-SSDs ist der Konkurrenzdruck am größten, hier findet man die günstigsten Angebote und die größte Auswahl. Wer einen neuen PC bestücken möchte, greift also am besten zu einer SATA-6G-SSD in mittlerweile klassischer Bauform.

Auch zum Aufrüsten ist eine SATA-6G-SSD eine gute Wahl, selbst wenn das vorhandene Mainboard oder Notebook nur eine SATA-II-Schnittstelle besitzt. Es lohnt sich im Allgemeinen nicht, eine SATA-6G-Steckkarte nachzurüsten.

Manche Notebooks und Mini-PCs aus den Baujahren ab 2010 besitzen Fassungen für kompakte SSD-Kärtchen im mSATA-Format. Der Stecker entspricht weitgehend dem von WLAN-Adaptern in Form von PCI Express Mini Cards – aber eine mSATA-Fassung muss anders beschaltet sein, man kann nicht einfach den WLAN-Adapter gegen eine mSATA-SSD tauschen. Auch von der Länge her passt das meistens nicht: mSATA-Kärtchen dürfen deutlich länger werden, zwei Längenmaße sind gängig. Zur Befestigung der SSD sind auf der Platine Gewindehülsen vorhanden, an denen man das Kärtchen mit einer winzigen Schraube fixiert. Je nach Chipsatz sind mSATA-SSDs per SATA II oder SATA 6G angebunden.

Nach einigen Minuten Volllast erwärmt sich der Controller  (rechts) dieser M.2-SSD (Samsung 950 Pro auf fast 100 °C. Deutlich erkennbar ist auf dem Wärmebild, dass nur der rechte Flash-Chip beschrieben wird.
Nach einigen Minuten Volllast erwärmt sich der Controller (rechts) dieser M.2-SSD (Samsung 950 Pro) auf fast 100 °C. Deutlich erkennbar ist auf dem Wärmebild, dass nur der rechte Flash-Chip beschrieben wird.

Einige Hersteller verkaufen SATA-6G-SSDs mit nahezu gleichen Controllern und Flash-Chips sowohl in 2,5"- als auch in mSATA-Bauform; üblicherweise sind dann auch die Leistungsdaten sehr ähnlich. Bei langen Schreibvorgängen erwärmen sich aber die mSATA-Versionen oft stärker; dann sinkt die Geschwindigkeit.

Schlanker als mSATA-SSDs sind jene im M.2-Format, häufig aber auch länger. M.2-Fassungen finden sich erst in Systemen seit etwa 2013. In den älteren Rechnern sind sie genau wie mSATA-Ports nur mit SATA-6G-Lanes beschaltet. Der wichtigste Vorteil von M.2 besteht jedoch darin, dass je nach System auch zwei oder vier PCIe-Lanes bereitstehen, im Idealfall also per PCIe 3.0 bis zu 4 GByte/s fließen können.

Verwirrung droht also auch beim Kauf einer M.2-SSD, denn nicht nur deren Länge muss zum Mainboard passen – bei M.2 gibt es drei Schraubenpositionen für die Bauformen 2242, 2260 und 2280 –, sondern auch ihr SSD-Controller: Entweder SATA oder PCI Express und bei PCIe mit AHCI- oder NVMe-Protokoll sowie mit zwei oder vier Lanes der zweiten oder dritten PCIe-Generation. Immerhin ist PCIe abwärtskompatibel: Eine M.2-SSD mit PCIe 3.0 x4 läuft auch in einem Slot, der nur PCIe 2.0 x2 beherrscht, wenn auch langsamer.

Stärker von den PCI-Express-Vorteilen profitieren Server-SSDs in der Bauform von PCIe-Karten. Sie können mehr als 4 Lanes nutzen und über große Kühlkörper auch mehr als 10 Watt abführen. Einige Enterprise-SSDs sind für viel mehr Schreibzugriffe ausgelegt. Die besten verkraften die tausendfache Menge an Schreibdaten im Vergleich zu "Consumer"-SSDs. Die Hersteller bieten dann beispielsweise Garantie für 35 Petabyte statt für 35 TByte – man kann die SSD also sehr viel häufiger beschreiben, bis sie ausfällt. Nach unseren Erfahrungen reichen 35 TByte aber für die übliche PC-Nutzung völlig aus. PCIe-SSDs für Server sind außerdem sehr teuer und kommen schon deshalb für den Einsatz in Desktop-PCs kaum in Frage.

PCIe-Karten lassen sich im laufenden Betrieb nur umständlich wechseln. Für Server wurde daher auch eine 2,5-Zoll-Bauform von PCIe-SSDs entwickelt, die U.2 heißt. Sie besitzen SFF-8639-Stecker, die nicht in erster Linie für Kabel gedacht sind, sondern für den Einsatz in Schnellwechselrahmen für Server und Storage-Systeme, sogenannte Backplanes. Der SAS-ähnliche SFF-8639-Konnektor führt vier PCIe-Lanes. Mit 15 Millimetern sind U.2-SSDs deutlich dicker als 2,5-Zoll-SATA-SSDs; die zusätzliche Bauhöhe nutzen die Hersteller oft für Kühlrippen.

Eine besonders kompakte Bauform sind Disks-on-Module (DoMs), die ohne Kabel direkt auf SATA-Ports passen. Davon gibt es allerdings zahlreiche Versionen mit verschiedenen Steckwinkeln und unterschiedlichen Arten der Stromversorgung. Viele SATA-DoMs schreiben Daten sehr langsam, sie sind vor allem als Bootmedien für Embedded Systems und Server gedacht: In letzteren startet davon beispielsweise ein Hypervisor als Basis für die Virtualisierung.

Zu guter Letzt gibt es auch externe USB-SSDs. Die meisten arbeiten mit USB 3.0 und damit mit maximal 440 MByte/s, und selbst das ist nicht sicher: Dazu müssen Betriebssystem und externe SSD den UASP-Modus (USB Attached SCSI) unterstützen. Tun sie das nicht, schnarchen die schnellen SSDs mit weniger als 200 MByte/s vor sich hin.

Schneller scheint die Anbindung mit USB 3.1, aber auch da muss man aufpassen: USB 3.1 unterstützt zwei Geschwindigkeiten, nämlich 5 GBit/s und 10 GBit/s. Der langsamere Modus entspricht USB 3.0, hier nutzt die Kennzeichnung mit USB 3.1 alleine der Marketing-Abteilung des Herstellers. Nur mit "USB 3.1 Gen. 2" bezeichnete externe SSDs nutzen das Potenzial der Schnittstelle voll aus und können damit knapp 1 GByte/s erreichen – falls die verbaute SSD diese Geschwindigkeit liefern kann.

Wer viel Platz benötigt, aber die Kosten für eine wirklich große SSD scheut, hat noch eine weitere Alternative: Sogenannte Solid State Hybrid Disks, SSHDs, vereinen die günstige große Kapazität einer Festplatte mit der Geschwindigkeit einer SSD. Dienen Desktop-PC oder Notebook lediglich als Schreibmaschine oder Surfstation, dann klappt das gut: Im meistens nur 8 GByte großen und für den Anwender unsichtbaren SSD-Teil speichert die SSD automatisch häufig angeforderte Dateien, Windows und Anwendungen starten also schnell. Alle anderen Daten liest die SSHD vom Festplattenteil – das stört nur bei großen Kopieraktionen, nicht aber beim Filmgucken oder Musikhören.

Viele ältere Mainboards kommunizieren über ihre SATA-Ports lediglich IDE-kompatibel, also wie mit 20 Jahre alten Festplatten. Vor rund 10 Jahren brachte das Advanced Host Controller Interface (AHCI) Vorteile wie verbesserte Energieverwaltung und das für SSDs wichtige Native Command Queuing (NCQ). Praktisch alle Rechner mit vorinstalliertem Windows 8 oder 10 steuern ihre Systemfestplatte über einen AHCI-kompatiblen Treiber an und in ihrem BIOS-Setup ist folglich der SATA-Betriebsmodus auf AHCI statt IDE eingestellt. Zu Zeiten von Windows 7 war das eher umgekehrt. Die Umstellung kann dazu führen, dass Windows nicht mehr bootet. Das lässt sich zwar meistens reparieren, aber wer wenig Erfahrung hat, lässt die Einstellung einfach, wie sie ist – so gigantisch sind AHCI-Vorteile und IDE-Nachteile nicht.

Auch viele SSDs mit PCIe-Schnittstelle nutzen das AHCI-Protokoll. Hier lässt sich aber nichts umstellen, weil das eine Eigenschaft des jeweiligen SSD-Controllers ist. Ganz moderne PCIe-SSDs verwenden statt AHCI Non-Volatile Memory Express (NVMe). Zwar bringen aktuelle Linuxe und Windows seit 8 NVMe-Treiber mit, zum Booten von einer NVMe-SSD muss das Mainboard-BIOS jedoch NVMe-kompatibel sein. Das ist erst bei brandneuen Mainboards durchgängig der Fall, typischerweise bei solchen mit M.2-Fassungen. Für (mobile) PCs bringt NVMe im Vergleich zu AHCI derzeit höchstens geringe Vorteile. NVMe verbessert das Verhalten der SSD nämlich vor allem bei sehr vielen parallelen Zugriffen, die eher in Servern als in gewöhnlichen Windows- oder Linux-Rechnern vorkommen.

In vielen aktuellen Desktop-Gehäusen und Notebooks ist ein Schacht für ein 2,5-Zoll-Laufwerk vorhanden. Beim Notebook muss man beim Austausch lediglich auf die Bauhöhe achten: Viele 2,5-Zoll-Festplatten sind 9,5 Millimeter hoch, die meisten aktuellen SSDs nur 7 Millimeter. In einigen SSD-Kartons liegen sogenannte Spacer, mit denen man das Klappern der SSD verhindern kann, zur Not tut's ein Stück dicke Pappe. Hat das Desktop-Gehäuse keinen passenden Schacht, kann man die SSD einfach an beliebiger Stelle mit Klebeband fixieren oder mit nur zwei Schrauben befestigen. Manche Gehäuse weisen auch passende Löcher am Boden auf.

Bei der Neuinstallation des Betiebssytems – ob nun Windows oder Linux – ist nichts Besonderes zu beachten: Die Installationsroutinen moderner Systeme erkennen, dass es sich um eine SSD handelt und richten das Laufwerk passend ein, kümmern sich also um Partitionierung und Formatierung. Windows schaltet etwa das automatische Defragmentieren des Laufwerks ab und richtet den Trim-Befehl ein. Das gilt auch für den Umzug einer Windows-Installation.

Apropos Umzug: Wer seine mühevoll gepflegte Windows-Installation von der Festplatte auf die neue SSD retten möchte, erledigt das am besten mit unserem Tool c't-Wimage. Das funktioniert jedoch nur mit Windows 8 und neuer. Nutzer älterer Windows-Versionen können eine Freeware oder ein vom Hersteller der SSD mitgeliefertes Tool verwenden, Linux-Anwender nutzen die mitgelieferten Werkzeuge.

Festplatten erreichen Geschwindigkeiten von rund 200 MByte/s, SATA-SSDs bereits bis zu 550 MByte/s – beides gilt für Lesen und Schreiben. Doch wichtiger als die sequenzielle Geschwindigkeit ist, dass SSDs praktisch ohne Zeitverzug auf die Anforderungen des Betriebssystems reagieren können. Das Maß dafür heißt IOPS – Input Ouput Instructions per Second. Während Magnetplatten (HDD) hier Werte von wenigen 100 IOPS erreichen, schaffen SATA-SSDs bis zu 100.000.

Mit schnelleren Schnittstellen und passendem Flash-Speicher erhöhen sich diese Werte: Bei schnellen PCIe-SSDs haben wir sequenzielle Transferraten von mehr als 5 GByte/s und weit über 100.000 IOPS gemessen. Bei der Büroarbeit merkt man davon nichts, da selten mehr als eine Anwendung gleichzeitig eine Anforderung an den Datenträger stellt – eine teure Server-SSD im Desktop-Rechner ist nur rausgeschmissenes Geld.

Ob eine SATA-SSD im Windows-PC nun aber 100.000 IOPS liefert oder nur 60.000, ist ziemlich unwichtig. Im Vergleich zu einer Festplatte ist sie immer rasend schnell. Auch die Unterschiede bei den sequenziellen Transferraten merkt man allenfalls bei großen Kopieraktionen.

SSDs enthalten mindestens einen, meistens jedoch mehrere nichtflüchtige Speicherbausteine, die ihre Daten auch ohne externe Stromversorgung nicht verlieren (NAND-Flash). Flash-Speicher ist grundsätzlich in Blöcken organisiert, die wiederum in Pages zusammengefasst werden. Blöcke sind meisten 4 KByte groß, Pages häufig 128 KByte.

Der Speicher lässt sich nicht überschreiben, er muss zuvor gelöscht werden. Löschen lässt sich jedoch immer nur eine ganze Page. Damit auch bei gut gefüllter SSD in jedem Fall ausreichend freie Pages zur Verfügung stehen, benutzt der Hersteller einen Teil des Speichers für diesen Zweck. Für das sogenannte Overprovisioning reservieren die meisten SSDs rund sieben Prozent der Bruttokapazität.

Flash-Speicher ist zwar beim Lesen schnell, beim Schreiben jedoch eher langsam. Deshalb trickst der SSD-Controller mit verschiedenen Maßnahmen. Je mehr Flash-Chips eine SSD enthält, desto besser kann der Controller die Daten auf die vorhandenen Chips aufteilen. Daher sind große SSDs meistens schneller als kleine. Oberhalb von 500 GByte kommt dieser Effekt kaum noch zum Tragen.

In den Flash-Anfangszeiten konnte eine Zelle 1 Bit speichern (SLC, Single Level Cell). Solcher Speicher ist schnell, aber auch teuer in der Herstellung. Aktuelle Zellen speichern 2 (MLC, Multi Level Cell) oder sogar 3 Bit (TLC, Triple Level Cell). Zellen mit 4 Bit Speicherkapazität (QLC, Quadruple Level Cell) sind zwar in der Entwicklung, aber noch nicht auf dem Markt.

Mit zunehmender Speicherfähigkeit der Zellen und gleichzeitig immer kleineren Strukturbreiten sinken jedoch nicht nur der Herstellungspreis pro Bit, sondern auch Haltbarkeit und Geschwindigkeit. MLC- und TLC-Flash-Speicher übersteht damit nur wenige tausend Löschzyklen. SLC ist mit bis zu 100.000 Löschzyklen deutlich robuster.

Beim Einsatz eines Pseudo-SLC-Caches sinkt die Datenübertragungsrate beim Kopieren großer Dateien nach kurzer Zeit auf einen konstanten Wert.
Beim Einsatz eines Pseudo-SLC-Caches sinkt die Datenübertragungsrate beim Kopieren großer Dateien nach kurzer Zeit auf einen konstanten Wert.

Zur Beschleunigung von Schreibvorgängen setzen die Hersteller häufig einen DRAM-Cache ein. Auch greifen immer mehr zu dem den Trick, einen Teil des MLC- oder TLC-Speichers in den schnelleren SLC-Modus zu schalten und die dort abgelegten Daten erst später in die langsameren NAND-Zellen zu übertragen. Angaben zur Größe dieses Pseudo-SLC-Caches gibt es nur selten.

Das sorgt zwar im Alltag für Tempo, rächt sich aber bei Benchmarks: Wir lassen unser Benchmark-Programm IOmeter bei der Messung der sequenziellen Schreibgeschwindigkeit zunächst die SSD komplett mit einer Datei vollschreiben, der Test findet dann innerhalb dieser Datei statt. Dann kann die SSD mangels Platz die Zellen nicht mehr in den SLC-Modus schalten, die SSD wird langsamer.

Es gibt weltweit nur fünf Flash-Hersteller: Hynix, IMFT (Intel Micron Flash Technologies), Powerchip, Samsung und Sandisk/Toshiba. Gelegentlich findet man andere Namen auf den Chips; sie kaufen den Flash-Speicher von anderen Herstellern ein und übernehmen lediglich die letzten Produktionsschritte selbst.

Dem Verschleiß begegnen die Hersteller mit dem Wear Leveling: Es verteilt die Schreibzugriffe möglichst gleichmäßig auf die vielen Milliarden Zellen. Defekter Flash-Speicher kommt zwar dennoch vor, aber durch das Overprovisioning steht eine große Anzahl von Reservezellen bereit, um diesen Verlust aufzufangen.

Wenn es der Geldbeutel hergibt, kaufen Sie lieber eine etwas größere SSD als unbedingt notwendig. Das vermindert nicht nur spätere Engpässe beim Speicherplatz: Mit der Zahl der Flash-Zellen steigt potenziell auch die Lebensdauer, weil der Controller die zu schreibenden Daten besser verteilen kann.

Außerdem halten SSDs nach unseren Untersuchungen deutlich mehr aus als die Hersteller versprechen. Der Verschleiß des Flash-Speichers hat also in der Praxis kaum Auswirkungen.

Um die Verbindung zwischen Speicher-Chips und PC kümmert sich der Controller. Häufig ist es ein Kombiprozessor (System on Chip) mit zwei oder mehr Kernen. Einer kümmert sich um die Anbindung zum PC, der oder die anderen um das Flash-Management.

Aufbau einer SSD (Teil 1)
Aufbau einer SSD (Teil 1) (Bild: c't)

Da Flash-Speicher zwar schnell gelesen werden kann, beim Beschreiben aber eher langsam ist, nutzt man verschiedene Verfahren zur Beschleunigung. Dazu gehören neben dem DRAM-Cache – typisch ist 1 MByte Cache pro GByte Speicherkapazität – eine möglichst große Anzahl von Speicherkanälen. So kann der Controller die Daten gleichzeitig auf mehrere Chips verteilen.

Zu den Verwaltungsaufgaben des Controllers gehören zudem Garbage Collection, Wear Leveling, Prüfsummenbildung, Bad-Block-Management und Verschlüsselung. Viele SSDs speichern die Daten prinzipiell verschlüsselt, auch wenn der Anwender selbst gar keinen Schlüssel vergeben hat. Die Garbage Collection läuft meistens im Hintergrund, wenn die SSD gerade wenig zu tun hat. Sie fasst Blöcke aus nicht vollständig belegten Pages zusammen, um so wieder eine möglichst große Anzahl an freien Pages bereitzustellen.

Die SSD bekommt nicht unbedingt mit, dass Daten nicht mehr benötigt werden – löscht der Anwender eine Datei, verschwindet lediglich der Eintrag im Dateisystem. Daher teilen moderne Betriebssysteme der SSD per Trim-Befehl mit, welche Blöcke nicht mehr benötigt werden. Die SSD kann dadurch ebenfalls aufräumen und weitere freie Pages bereitstellen.

Aufbau einer SSD (Teil 2)
Aufbau einer SSD (Teil 2) (Bild: c't)

Beim Schreiben erzeugt der Controller Prüfsummen und speichert sie mit ab. Stimmen diese beim Lesen nicht mehr, versucht der Controller mit Hilfe von Korrekturmechanismen die Daten zu korrigieren. Solche Fehler treten vor allem bei fortschreitender Abnutzung der SSD auf.

Samsung und Toshiba nutzen in ihren SSDs Eigenentwicklungen, die meisten anderen Hersteller verwenden Controller von Silicon Motion, JMicron oder Marvell. (ll)

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