Samsung-SSDs im Test: Mehr als die zehnfache Geschwindigkeit in einem Jahrzehnt
Eine neue Grafikkarte, ein neuer Prozessor – nein, weder noch: Vor über einem Jahrzehnt waren es die ersten SSDs, die einen Computer so richtig flott gemacht haben. Diese Abkürzung steht für Solid State Drive und war damals ein absolutes Novum gegenüber einer klassischen Festplatte, also einem Hard Disk Drive (HDD). Wir zeigen, wie sich Technik und Geschwindigkeit entwickelt haben.
Die Vorteile einer SSD sind dabei mannigfaltig, da NAND-Flash-Speicher statt rotierender Magnet-Platter verwendet wird. Die daraus resultierende, sehr viel niedrigere Zugriffszeit und die höhere Geschwindigkeit beim Lesen oder Schreiben kleiner Datenmengen haben dem Solid State Drive zum Durchbruch verholfen.
Während Hersteller wie Intel früh eigene SSDs in den Handel brachten, ließ sich Samsung lange Zeit: Anfangs wurden nur OEM-Geräte für Notebooks veröffentlicht und Partner wie Corsair mit Bauteilen beliefert. Das erste 2,5-Zoll-Consumer-Modell war die SSD 470, welche 2010 noch mit einem Sata-3-GBit/s-Interface antrat und daher mit schnelleren Sata-6-GBit/s-Varianten nicht mithalten konnte.
Vertikale Integration ist Trumpf
Allerdings setzte Samsung schon bei dieser SSD das um, was anderen Herstellern wie Micron oder Western Digital erst viele Jahre später gelang: vertikale Integration. Vom SSD-Controller und dessen Firmware über den DRAM-Cache bis hin zum NAND-Flash-Speicher produziert Samsung alle Bauteile selbst anstatt sie (zumindest anteilig) anderswo einzukaufen.
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Den eigentlichen Start der Consumer-SSDs bildete Samsungs 830, mit der das bis heute verwendete Namensschema eingeführt wurde. Das Modell verdoppelte die maximale Kapazität von 256 GByte auf 512 GByte, vor allem aber verwendete es ein Sata-6-GBit/s-Interface. Dadurch verdoppelte sich die sequenzielle Lese- und Schreibrate nahezu, statt gut 200 MByte/s waren es rund 400 MByte/s und damit eine konkurrenzfähige Performance. Neben einer 2,5-Zoll- gab es auch eine mSata-Version für Laptops.
Die erste 3-Bit-SSD
Mit der 2012 erschienenen 840 (Basic) und 840 Pro baute Samsung erstmals eine AES-256-Bit-Verschlüsselung ein, der Unterschied zwischen den beiden Serien bildete die Art des Flash-Speichers: Beim Pro-Modell kam MLC (Multi Level Cell) mit 2 Bit pro Zelle zum Einsatz, beim Basic-Ableger hingegen TLC (Triple Level Cell) mit 3 Bit.
Eine solche Unterteilung ist mittlerweile nicht mehr wegzudenken, denn TLC-Speicher weist deutlich mehr Kapazität pro Fläche auf. Das macht solche SSDs günstig, nachteilig aber sind die Haltbarkeit und die Geschwindigkeit – was technisch leicht zu erklären ist.
Dynamischer SLC-Puffer und NVMe werden Standard
Bei 2 Bit pro Zelle gibt es vier Ladungszustände, bei 3 Bit dementsprechend acht. Diese zu schreiben, dauert schlicht deutlich länger und es ist aufwendiger, sie dauerhaft aufrechtzuerhalten. Als wäre Ärger programmiert, gab es bei Samsungs 840 dann auch Probleme: Daten, die vor längerer Zeit einmalig geschrieben worden waren, ließen sich nur mit niedriger Geschwindigkeit auslesen. Samsung musste per Firmware nachbessern , diese sorgte für eine Auffrischung der Speicherzellen im Hintergrund.
Auch bei der 2013 veröffentlichten 840 Evo musste Samsung nachbessern, ungeachtet dessen entwickelte sich das erste Evo-Modell schnell zum Verkaufsschlager. Es war günstig und dennoch flott, da Samsung erstmals das sogenannte Turbowrite einführte: Ein Teil der 3-Bit-Speicherzellen wird dabei nur mit einem Bit beschrieben, dieser SLC-Puffer erhöht die Leistung drastisch.
Sobald der 3 GByte fassende Bereich jedoch voll ist und der TLC-Betrieb greift, fällt die Performance ab: beim 1-TByte-Modell von 520 MByte/s auf immerhin 400 MByte/s, bei der Version mit 250 GByte jedoch auf 270 MByte/s. Die Zweiteilung aus Pro-SSD mit MLC und Evo-Ableger mit TLC erwies sich als richtig, bis heute nutzt Samsung sie bei den Sata-Versionen seiner SSDs.
Die Flash-Zellen werden geschichtet
Eine weitere Neuerung kam 2014 mit der 850 Pro und der 850 Evo : Statt auf planaren Speicher zu setzen, verwendete Samsung als erster Hersteller den von ihm so benannten V-NAND.
Das ist 3D-Flash-Speicher, dessen Zellen in – damals 32 – Schichten gestapelt sind, um die Kapazität pro Quadratmillimeter wortwörtlich zu erhöhen. Damit einher geht, dass sich größere SSDs – die 850 Evo war das erste Modell mit 4 TByte – und kleinere SSDs bauen lassen, was wichtig für den neuen M.2-Standard war.
Der wurde einst als Next Generation Form Factor bezeichnet, mittlerweile ist er längst Standard in Desktop-PCs und in Laptops. Zu den ersten SSDs als M.2-Kärtchen gehörte 2014 die Samsung XP941 , welche das bisherige Sata-Limit von rund 560 MByte/s weit überbot: Per PCIe Gen3 x4 angeschlossen erreichte die SSD in unserem Test satte 1,1 GByte/s lesend! Die XP941 war allerdings ein Exot, da sie noch das AHCI-Protokoll verwendete, alle nachfolgenden Modelle mit PCIe-Anschluss hingegen nutzen NVMe (Non Volatile Memory Express) mit Fokus auf Flash-Speicher statt Festplatten mit Magnetscheiben.
Der M.2-Formfaktor setzt sich durch
Bis zu Samsungs erster Consumer-SSD in M.2-Bauweise dauerte es bis zum Herbst 2015, da erschien die 950 Pro . Sie zeigte, dass eng gepackte Bauteile auf einer Kärtchenplatine zwar eine sehr hohe Leistung ermöglichen, es ohne Luftstrom aber zu einer Drosselung der Geschwindigkeit kam. Die immerhin 7 Watt sorgen dafür, dass sich die Performance nach etwa 100 GByte an geschriebenen Daten sukzessive von 1.400 MByte/s auf 750 MByte/s halbiert.
Mit der 960 Pro und der 960 Evo ging Samsung anno 2016 das Problem an, indem der Aufkleber auf der Rückseite eine integrierte Kupferschicht erhielt, und der V-NAND v3 sparsamer war als die Vorgängergeneration. Als neue Idee wurde der SLC-Puffer des MLC-Speichers dynamisch statt nur statisch ausgelegt, er skaliert also mit dem Füllstand der SSD und ermöglicht es, mehr Daten mit voller Geschwindigkeit zu schreiben.
Eine solche Implementierung war wichtig, denn mit QLC (Quad Level Cell) hatte Samsung bereits die nächste Ausbaustufe des NAND-Flash-Speichers in Vorbereitung.
4-Bit-Speicher hüben, PCIe Gen4 drüben
Es dauerte ein Jahr, in dem keine SSDs erschienen, bis Anfang 2018 die 860 Pro und die 860 Evo als 2,5-Zoll- und letztmals als mSata-Version in den Handel kamen. Neben dem V-NAND v4 führte Samsung auch bei den 2,5-Zoll-Sata-Modellen den von der 960 Pro bekannten dynamischen SLC-Puffer ein, dank LPDDR4 wurde der DRAM-Cache flotter sowie sparsamer.
In den 860 Evo steckte die TLC-Version mit 3 Bit pro Speicherzelle, in den 860 Pro die MLC-Version mit 2 Bit pro Speicherzelle. Ende 2018 folgte dann die 860 QVO als erste SSD einer neuen Serie: Das steht für Quality and Value Optimized, laut Samsung sollen die Modelle eine gute Geschwindigkeit mit einem niedrigen Preis kombinieren.
Aus diesem Grund wird erstmals QLC-Speicher (Quad Level Cell) mit 4 Bit pro Zelle verwendet, so wie es Intel und Micron schon vorgemacht hatten. Mit gleich 16 Ladungszuständen ist dieser NAND-Flash noch langsamer zu beschreiben, auch die Anzahl der P/E-Zyklen (Program/Erase) fällt niedriger aus. Samsung gibt nur drei statt fünf Jahre Garantie, die nominelle Haltbarkeit (TBW – Total Bytes Written) liegt bei gut der Hälfte einer 860 Evo und dem Viertel einer 860 Pro.
Festplatten-Niveau ohne Write-Cache
Solange der dynamische SLC-Puffer greift, schafft auch eine 860 QVO bis zu 520 MByte/s sequenziell schreibend. Ist er jedoch erschöpft, sinkt die Geschwindigkeit drastisch ab – wir messen rund 160 MByte/s. Als Datenspeicher, von dem primär gelesen wird, eignet sich die SSD-Reihe dennoch sehr gut. Typische Szenarien sind Spielebibliotheken, da selbst sehr schnelle Internetleitungen mit 1 GBit/s Downstream langsamer sind als die QLC-Schreibrate.
Während die Sata-Modelle erstmals mit QLC-Speicher versehen wurden, führte Samsung bei den NVMe-SSDs parallel dazu TLC-NAND ein: Die 960 Evo war der erste PCIe-Ableger mit einer solchen Umsetzung, was für ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis sorgte. Mit bis zu 3,3 GByte/s lesend und bis zu 1,9 GByte/s schreibend war die 960 Evo ziemlich flott; ohne SLC-Puffer sind es je nach Kapazität immerhin noch bis zu 1,2 GByte/s.
Die so geschaffene Aufteilung – also MLC/TLC/QLC bei Sata und MLC/TLC bei NVMe – behielt Samsung nicht mal eine Generation bei: Die 870 Evo und die 870 QVO mit gleich 8 TByte funktionieren nach diesem Prinzip, eine 870 Pro gab es allerdings nie – stattdessen eine 970 Pro , eine 970 Evo und später eine 970 Evo Plus mit schnellerem V-NAND v5 statt v4.
PCIe Gen4 und HMB als Nachzügler
Im High-End-Segment ließ sich Samsung anschließend über zwei Jahre Zeit und brachte dann deutlich später als die Konkurrenz die erste PCIe-Gen4-SSD in den Handel. Die 980 Pro nutzt allerdings keinen MLC-Speicher mehr, denn der V-NAND v6 wird einzig als TLC- und QLC-Variante produziert. Die 980 Pro ist also eher eine 980 Evo, wenngleich Transferraten von bis zu 5 GByte/s schreibend mit SLC-Puffer und 2 GByte/s ohne Write-Cache im Herbst 2020 unschlagbar schnell waren.
Auch bei einem Thema ließ Samsung der Konkurrenz den Vortritt: Die SSD 980 ohne Suffix stellte das erste Modell ohne DRAM-Puffer dar, stattdessen wird ein Host Memory Buffer (HMB) verwendet. Der Mapping-Table landet nicht im SSD-eigenen Cache, sondern in einem reservierten Bereich des System-RAMs. Sequenzielle Datentransfers beeinflusst das kaum, wahlfreie Schreibzugriffe aber sind deutlich langsamer. Hinzu kommt, dass der SLC-Puffer zwar groß ausfällt, ohne die Geschwindigkeit jedoch von 3 GByte/s auf 450 MByte/s einbricht.
Directstorage macht SSDs relevant für Gaming
Heute mag das wenig anmuten, vor einer Dekade allerdings war eine solche Transferrate undenkbar. Im Desktop-PC und im Laptop haben die drastischen Steigerungen bisher vergleichsweise wenig Einfluss, wenngleich Foto- und Videobearbeitung profitieren. Dank der Xbox Series X/S plus Directstorage kündigt sich allerdings auch bei Spielen ein Umschwung an. In diesem Sinne: auf das nächste Jahrzehnt!