SSD-Basics: Alles Wichtige über die flinken Laufwerke

Funktion, Technologien, Anschlussarten

von Mirco Lang
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Schreiben und Löschen in der Flash-Welt

Wie genau in Flash-Speicher geschrieben wird und welche Auswirkungen dies im Detail hat, ist recht kompliziert - und für die Praxis nettes, aber nicht wirklich wichtiges Wissen. Daher vereinfachen wir hier etwas. Flash-Zellen werden in sogenannte Pages von in der Regel 4 Kibibyte (KiB) eingeteilt, die wiederum zu Blöcken von 256 oder 512 KiB gruppiert werden. Pages können nicht einzeln gelöscht, sondern nur als nicht mehr Valide gekennzeichnet werden. Gelöscht werden können nur ganze Blöcke.

Nun können Pages aber auch nicht einfach geändert werden, wie es bei HDDs der Fall ist. Bei SSDs werden Änderungen in die nächste leere Page des Blocks geschrieben. Ist der Block voll, sind also alle seine Pages als invalide gekennzeichnet, wird er - und nur dann - komplett gelöscht. Soll also ein zur Hälfte mit gelöschten/invaliden Pages gefüllter Block wieder komplett zur Verfügung stehen, müssen alle Pages gelöscht werden und die validen Daten landen im Cache und anschließend in einem neuen Block.

Verändern sich also nur einige Bytes, müssen dennoch mehrere KiB geschrieben werden. Diese Vervielfachung der zu schreibenden Daten nennt sich Write Amplification. Nun würden die Zellen innerhalb der Blöcke auf diese Art recht schnell ihren Lebenssaft verbraucht haben, schade eigentlich - dachten sich auch die Hersteller und haben mit Algorithmen zur Nutzungsverteilung (Wear Levelling) entgegengewirkt. Diese sorgen dafür, dass alle Zellen der gesamten SSD möglichst gleichmäßig verwendet werden. Ein Nachteil der Nutzungsverteilung: Dateien liegen quer über die Zellen verteilt. Das Betriebssystem weiß davon nichts und folglich lassen sich Daten nicht sicher löschen, also mehrfach überschreiben, wie es bei HDDs immer schon üblich ist.

Allerdings wäre es mit reichlich Aufwand und explizit programmierten Treibern verbunden, diese physikalisch noch nicht gelöschten Daten tatsächlich als Dateien wiederherzustellen - so es denn überhaupt gelingen würde. Für den professionellen Einsatz gibt es als Lösung SSDs, bei denen sich die Nutzungsverteilung temporär abschalten lässt, um eben sicher löschen zu können. Dem paranoiden Privatanwender bleibt nur der Schredder.

Und noch mal Löschen: Dateisysteme entfernen Dateien beim Löschen nicht wirklich, sondern vermerken lediglich, dass deren Speicherbereich wieder frei und die Datei obsolet ist.

Auf HDDs kann eine 1 einfach in eine 0 umgewandelt werden, bei SSDs müssen belegte Zellen hingegen erst physisch geleert werden, bevor sie beschrieben werden können. Kleine, verteilte Schreibvorgänge (wie sie das Betriebssystem ständig durchführt) führen bei belegten SSDs dazu, dass ständig komplette Blöcke geschrieben werden müssen, obwohl eigentlich nur wenige Pages benötigt werden.

Und dieses Neuschreiben von eigentlich (Dateisystem-seitig) gelöschten Daten ist eben zeitraubender Unfug. Daher gibt es mit TRIM und Garbage Collection zwei Maßnahmen, um dieses Problem zu reduzieren. TRIM ist dabei ein ATA-Befehl, der dem SSD-Controller quasi mitteilt, was das Dateisystem schon weiß, nämlich, dass bestimmte Pages tatsächlich frei geworden sind.

In der Folge werden die im Dateisystem gelöschten Daten auch in den Pages nicht mehr vorgehalten, oder mit anderen Worten: Aus dem Papierkorb gelöschte Dateien werden auch auf Hardware-Ebene nicht mehr verwendet, was eben die Schreibzugriffe reduziert. Gelöscht wurden die Pages zwar immer noch nicht direkt, aber spätestens beim nächsten Befüllen werden ihre bisherigen Inhalte eben nicht noch vorher ausgelesen, was Zeit spart. Wirklich gelöscht wird dann vor dem Neubeschreiben oder unbestimmbar während Leerlaufzeiten. Die Garbage Collection ist in der SSD selbst implementiert und von den Herstellern nicht transparent gemacht, bewirkt im Endeffekt aber dasselbe, wie auch TRIM - automatische Speicherbereinigung und somit bessere Zugriffszeiten und längere Lebensdauer.

Ein unschöner Nebeneffekt der Nutzungsverteilung: Das sichere Löschen (Überschreiben) einzelner Dateien ist nicht möglich - daher bieten die meisten Hersteller eigene Tools, um zumindest ganze SSDs zurücksetzen und sicher löschen zu können.
Ein unschöner Nebeneffekt der Nutzungsverteilung: Das sichere Löschen (Überschreiben) einzelner Dateien ist nicht möglich - daher bieten die meisten Hersteller eigene Tools, um zumindest ganze SSDs zurücksetzen und sicher löschen zu können.

Der letzte wichtige Punkt zur Vermeidung von Schreibzugriffen ist das Alignment. Hier geht es darum, dass Pages als kleinste Speichereinheit einer SSD und Cluster als kleinste Speichereinheit eines Dateisystems auf dieselbe Größe einzustellen. Wäre ein Cluster etwas größer als eine Page, müssten natürlich immer mindestens zwei Pages angesprochen werden. Darüber hinaus wird noch die Partition an dem Anfang eines Blocks ausgerichtet.

Beides sind wichtige Aspekte, aber wie schon bei TRIM/Garbage Collection gilt hier erfreulicherweise: Ihr müsst euch nicht wirklich damit auseinandersetzen. Moderne SSDs (jünger als 2009) und Betriebssysteme erledigen alles weitestgehend automatisch - lediglich wenn ihr ältere Platten kauft, mit fertig eingerichteten Systemen umzieht oder es einfach mal selbst sehen wollt, müsst ihr Hand anlegen. Programme wie AS SSD Benchmark oder CrystalDiskInfo (ja, auch SSDs liefern SMART-Daten!) zeigen euch die wichtigsten Informationen per Knopfdruck.

In aller Kürze: Standardmäßig verursacht die Schreib-Logik von SSD-Laufwerken mehr Datentransfer als nötig und nutzt Flash-Zellen sehr schnell ab. Über Methoden der Nutzungsverteilung wird entgegengewirkt und für eine gleichmäßige Abnutzung gesorgt, was die Lebensdauer erhöht. Zudem werden Schreibzugriffe per TRIM (Betriebssystem) beziehungsweise Garbage Collection (SSD-Controller) reduziert. Und zuletzt werden Partitionen und Cluster des Dateisystems mit den Pages und Blöcken der SSD "gleichgeschaltet", um weitere Schreibzugriffe zu vermeiden. Aber nun wieder zu etwas praktischeren Themen.

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Dieser Artikel wurde mit den Schlagworten Computer, Notebook, Netzwelt-Wissen, SSD und Externe Speichermedien versehen.

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