Neuer ist nicht immer eine Verbesserung. In letzter Zeit haben SSD-Produzenten begonnen, ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit zu suchen, um eine größere Speicherkapazität in ihre Laufwerke zu integrieren. Obwohl Protokolle wie NVMe und PCIe immer schneller werden, scheint es, dass einige SSDs einen Rückschritt machen.
QLC-Flash als Knackpunkt
Das Problem liegt in den Produktionskosten. Die Herstellung von SSDs ist kostspielig, und die meisten Verbraucher sind nicht bereit, 200 US-Dollar für eine 512-GB-SSD zu zahlen, wenn mechanische Festplatten mit 2000 GB für weniger als 50 US-Dollar erhältlich sind. Daher setzen die Hersteller auf größere Kapazitäten, um den Absatz zu steigern.
SSD-Hersteller erhöhen die Speicherkapazität bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten, was jedoch negative Auswirkungen auf Leistung und Lebensdauer hat. Während große SSDs zwar günstiger werden, bringt jeder technologische Fortschritt einen Kompromiss mit sich. Aktuell beobachten wir den Aufstieg von Quad Level Cell (QLC) SSDs, die 4 Bit an Informationen pro Speicherzelle ablegen können. QLC hat Standard-SSDs nicht vollständig abgelöst, aber einige Laufwerke mit dieser Technologie sind auf dem Markt erschienen, und das bringt Probleme mit sich.
Speziell gesehen, müssen SSD-Hersteller einen Weg finden, mehr Speicher auf gleich großen NAND-Flash-Chips (dem eigentlichen Datenspeicher der SSD) unterzubringen. Traditionell geschah dies durch die Reduzierung der Prozessknoten, wodurch die Transistoren im Flash kleiner wurden. Doch angesichts der Verlangsamung des Mooreschen Gesetzes sind kreative Ansätze gefragt.
Die clevere Lösung ist Multi-Level-NAND-Flash. NAND-Flash kann einen bestimmten Spannungspegel über einen längeren Zeitraum in einer Zelle speichern. Herkömmlicher NAND-Flash speichert zwei Zustände – ein und aus. Dies wird als SLC-Flash bezeichnet und ist sehr schnell. Da NAND jedoch im Grunde eine analoge Spannung speichert, können mehrere Bits durch leicht unterschiedliche Spannungspegel dargestellt werden:
Wie hier deutlich wird, skaliert das Problem exponentiell. SLC-Flash benötigt nur Spannung oder deren Fehlen. MLC-Flash benötigt vier Spannungsstufen. TLC benötigt acht. Und im letzten Jahr hat QLC-Flash den Markt erobert und benötigt 16 unterschiedliche Spannungsebenen.
Das führt zu einer Reihe von Problemen. Je mehr Spannungspegel hinzugefügt werden, desto schwieriger wird es, die Bits voneinander zu unterscheiden. Dadurch ist QLC-Flash zwar 25 % dichter als TLC, aber auch deutlich langsamer. Die Lesegeschwindigkeit ist weniger stark betroffen, aber die Schreibgeschwindigkeit nimmt erheblich ab. Die meisten SSDs (mit dem neueren NVMe-Protokoll) erreichen etwa 1500 MB/s für anhaltendes Lesen und Schreiben (z. B. beim Laden oder Kopieren großer Dateien). QLC-Flash erreicht jedoch nur zwischen 80-160 MB/s für anhaltendes Schreiben, was schlechter ist als bei einer anständigen Festplatte.
QLC-SSDs verschleißen schneller
Alle SSDs haben im Vergleich zu Festplatten eine limitierte Schreibdauer. Jedes Mal, wenn auf eine Zelle einer SSD geschrieben wird, nutzt sie sich langsam ab. Das Löschen einer Zelle soll sie von Elektronen befreien, aber einige bleiben immer zurück, was dazu führt, dass sich eine „0“-Zelle mit der Zeit der „1“ annähert. Der Controller kompensiert dies, indem er im Laufe der Zeit eine höhere Spannung anlegt, was in Ordnung ist, solange noch genügend Spannungsspielraum vorhanden ist. Aber das ist bei QLC nicht der Fall.
SLC hat durchschnittlich 100.000 Programm-/Löschzyklen (Schreibvorgänge). MLC liegt zwischen 35.000 und 10.000. TLC hat etwa 5.000. QLC hat aber nur magere 1.000. Das macht QLC ungeeignet für Laufwerke mit häufigem Zugriff, wie z. B. das Bootlaufwerk, auf das sehr oft geschrieben wird.
Fazit: Verwenden Sie kein QLC-Laufwerk als Systemlaufwerk für Ihr Betriebssystem. Sie sind viel zu unzuverlässig und es ist nicht sicher, dass sie nicht in ein paar Jahren ausfallen. Wir empfehlen die Verwendung eines großen QLC-Laufwerks als Ersatz für eine rotierende Festplatte und ein schnelles SLC-, MLC- oder TLC-Laufwerk als primäres Betriebssystemlaufwerk. Das kann bei Laptops, bei denen man diese Option nicht hat, ein Problem sein, aber QLC ist noch sehr neu und hat noch keinen Weg in Laptops gefunden.
Effizientes Caching kaschiert Probleme
An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht, warum QLC überhaupt eine Rolle spielt, wenn es langsamer ist und schneller kaputt geht als andere Flash-Typen. Ein Downgrade lässt sich natürlich nicht gut vermarkten, aber SSD-Hersteller haben eine Möglichkeit gefunden, das Problem zu überdecken: Caching.
QLC-SSDs verwenden einen Teil des Laufwerks als Cache. Dieser Cache ignoriert die Tatsache, dass er eigentlich QLC ist, und verhält sich wie SLC-Flash. Der Cache ist zwar 75 % kleiner als der tatsächlich benötigte Speicherplatz, aber er ist deutlich schneller.
Daten aus dem Cache können mit der gleichen Geschwindigkeit wie bei anderen High-End-SSDs geschrieben werden und werden vom Controller langsam in die QLC-Zellen geschrieben. Wenn dieser Cache jedoch voll ist, muss der Controller direkt in die langsamen QLC-Zellen schreiben, was bei längeren Schreibvorgängen zu einem deutlichen Leistungsabfall führt.
Sehen Sie sich diesen Benchmark von Tom’s Hardware an, den Testbericht zum Crucial P1 500GB, einer Consumer-QLC-SSD, die dieses Problem sehr deutlich zeigt:
Die rote Linie, die den Crucial P1 darstellt, zeigt solide NVMe-Geschwindigkeiten, wenn auch etwas langsamer als einige High-End-Angebote. Aber nach etwa 75 GB Schreibvorgängen ist der Cache voll und man sieht die tatsächliche Geschwindigkeit von QLC-Flash. Die Linie fällt auf etwa 80 MB/s ab, was langsamer ist als bei den meisten Festplatten für anhaltende Schreibvorgänge.
Das ADATA XPG SX8200, ein TLC-Laufwerk, zeigt die gleichen Eigenschaften, nur dass der rohe TLC-Flash nach dem Ablegen noch schneller ist. Die meisten anderen Laufwerke verwenden auch diese Caching-Methode, da sie schnelle, kleine Schreibvorgänge auf dem Laufwerk (die am häufigsten vorkommen) beschleunigt. Aber anhaltende Schreibvorgänge sind das, was man am meisten bemerkt – man bemerkt nicht, wenn eine kleine Dateikopie 0,15 Sekunden statt 0,21 Sekunden dauert, aber man bemerkt es, wenn eine große Kopie 10 Minuten länger dauert.
Man könnte dies leicht als Einzelfall abtun, aber dieser Cache bleibt nicht ewig bei 75 GB. Wenn man das Laufwerk füllt, wird der Cache kleiner. Gemäß Anandtechs Tests für die Intel SSD 660p-Reihe wird der Cache für das 512-GB-Modell auf nur 6 GB reduziert, wenn das Laufwerk größtenteils voll ist, selbst wenn noch 128 GB Speicherplatz übrig sind.
Das bedeutet, dass wenn Sie Ihre SSD vollgepackt haben und dann versucht haben, ein 20-30 GB großes Spiel von Steam zu installieren, die ersten 6 GB extrem schnell auf das Laufwerk geschrieben würden und dann die gleichen Geschwindigkeiten von 80 MB/s für die restlichen Dateien erreicht würden.
Zugegeben, Sie sind in diesem Beispiel wahrscheinlich durch die Downloadgeschwindigkeit limitiert, aber im Fall von Updates (die vorhandene Dateien herunterladen und dann ersetzen müssen, was effektiv den doppelten Speicherplatz benötigt) wäre das Problem viel deutlicher. Sie würden den Download beenden und dann ewig warten müssen, bis er installiert ist.
Sollte man also QLC vermeiden?
Man sollte auf jeden Fall auf QLC-Laufwerke mit 512 GB (und weniger, wenn es billiger in der Herstellung wird) verzichten, da sie nicht viel Sinn machen. Man füllt sie viel schneller und der Cache wird kleiner, wenn er voll ist, was es deutlich langsamer macht. Außerdem sind sie derzeit nicht viel billiger als die Alternativen.
Trotz ihrer Mängel ist QLC-Flash kein allzu großes Problem, wenn man sich Laufwerke mit höherer Kapazität ansieht. Das 2-TB-Modell des 660p hat mindestens 24 GB Cache, wenn es voll ist. Es ist immer noch QLC-Flash, aber es ist ein akzeptabler Kompromiss für eine günstige 2-TB-SSD, die die meiste Zeit sehr schnell arbeitet.
Angesichts ihrer gigantischen Kapazitäten können QLC-basierte SSDs ein guter Ersatz für rotierende Festplatten sein, vorausgesetzt, Sie erstellen regelmäßig Backups, falls sie ausfallen. Sie eignen sich optimal für Daten, auf die man selten zugreift, aber dabei sehr schnell sein möchte. Mit einem ausreichend großen SLC-Cache werden die meisten anhaltenden Schreibvorgänge relativ schnell sein, bis man das Laufwerk gefüllt hat.
Aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen sollte man es vermeiden, es als Bootlaufwerk oder für andere häufig geschriebene Daten zu verwenden.
In anderen Bereichen der Fertigung gibt es noch viele Fortschritte zu machen – bessere Controller, die mehr Flash-Chips ansprechen können, billigere Flash-Chips mit zunehmender Reife der Prozessknoten und vielleicht auch ganz andere Technologien. QLC-Flash wird in absehbarer Zeit nicht zum Standard werden; derzeit ist es nur eine weitere Option. Achten Sie beim Kauf einer SSD auf die technischen Spezifikationen und besonders auf die Art des verwendeten Flash-Speichers.