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SSD-Kompendium: AHCI, M.2, NVMe, PCIe, Sata, U.2 - ein Überblick

Heutige SSDs gibt es in allerhand Formfaktoren mit diversen Anbindungen und Protokollen, selbst der verwendete Speicher ist längst nicht mehr zwingend NAND-Flash. Wir erläutern die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Solid State Drives.

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SSDs in verschiedenen Formen mit unterschiedlichen Anschlüssen und Interfaces
SSDs in verschiedenen Formen mit unterschiedlichen Anschlüssen und Interfaces (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

SSD ist nicht gleich SSD: Wer einen Blick in Preisvergleiche oder Foren wirft, der bleibt angesichts des vielfältigen Angebots an Solid States Drives oft ratlos zurück. Da gibt es interne und externe Modelle, allerhand Formfaktoren und verschiedene Schnittstellen. Einzelne SSDs gleicher Bauweise und gleicher Kapazität können zwischen 50 Euro und über 500 Euro kosten - und schaffen radikal verschiedene Geschwindigkeiten.

Wir geben einen Überblick, wie sich Solid State Drives unterscheiden. Unser Kompendium umfasst die einzelnen Formfaktoren, die physische Anbindung, die darüber laufenden Interfaces und Protokolle sowie die native oder die Treiber-Unterstützung für einzelne Betriebssysteme. Anders als noch vor einigen Jahren gibt es mit heutigen SSDs abseits von Nischenlösungen kaum noch einen Mehraufwand bei Einbau und Einrichtung. Auch kosten SSDs mittlerweile so wenig, dass sie Festplatten (HDDs) weitgehend abgelöst haben.

Beginnen wir damit, was eine SSD von einer HDD unterscheidet: dem internen Aufbau. Dieser entscheidet neben dem Interface und dem Protokoll, was ein Modell leistet und wie viel es kostet. Eine Festplatte besteht aus multiplen Magnetscheiben. Darauf liegen die Daten in Spuren vor, Lese-/Schreib-Köpfe beziehen von ihnen ihre Daten oder sichern sie darauf. Die Rotationsgeschwindigkeit der sogenannten Plattern und die Beweglichkeit der Köpfe begrenzt die maximale Geschwindigkeit, vor allem bei zufälligen Zugriffen und hinsichtlich der Latenz bei Lese- oder Schreibvorgängen.

Eine SSD hingegen besteht mindestens aus einem Controller und einer Vielzahl an Speicher-Chips sowie einem DRAM-Cache, wobei Letzterer je nach Modell fehlt. Der Controller greift über mehrere Kanäle auf den Speicher zu. Dieses verteilte Prinzip ermöglicht äußerst hohe Lese- und Schreibraten. Weil eine SSD ohne mechanische Bauteile auskommt, sind die Zugriffe sehr viel schneller, also latenzärmer. Gerade bei wahlfreien Anfragen und bei kleinen Dateien haben SSDs eine um ein Vielfaches höhere Leistung als Festplatten.

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Die Geschwindigkeit hängt von der Performance des Controllers ab, etwa wie viele Kanäle er hat und welche Art von Speicher in welcher Menge verwendet wird. Um einen Controller mit acht NAND-Channels auszulasten, müssen entsprechend viele Packages, also Chip-Gehäuse mit üblicherweise bis zu 16 gestapelten Flash-Dies, vorhanden sein. Dadurch erklärt sich, dass SSDs mit wenig Kapazität - etwa 250 GByte statt 500 GByte - eine geringere maximale Datentransfer-Rate aufweisen können. Der verbaute Controller entscheidet auch darüber, welches Interface unterstützt wird, beispielsweise Sata oder PCI Express (PCIe), und ob eine Hardware-Verschlüsselung wie AES-256 vorhanden ist.

  • Eine M.2-SSD mit Controller, DRAM und Flash (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Ein Wafer mit NAND-Flash-Dies (Bild: Marc Sauter/Golem.de)
  • Einzelne Speicherchips (Bild: Marc Sauter/Golem.de)
  • Sata-2.5-Zoll, Sata-M.2, PCIe-x2-M.2, PCIe-x4-M.2, PCIe-x4-U2, AIC (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Links Sata, rechts U.2 (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Diverse M.2-Varianten (Bild: Marc Sauter/Golem.de)
  • Sata-SSD im M.2-2280-Formfaktor und als 2,5-Zoll-Modell (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Links Sata mit B/M-Key, rechts PCIe rein mit M-Key (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Erläuterung der Keys bei M.2-Kärtchen (Bild: Attend)
  • Unten AIC, oben U.2 (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Vergleich von AHCI und NVMe (Bild: Intel)
  • Power-Modi von NVMe und PCIe (Bild: Intel)
Eine M.2-SSD mit Controller, DRAM und Flash (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Beim Flash-Speicher unterscheiden die Hersteller derzeit grundlegend zwischen vier Varianten: Zellen mit 1 Bit (Single Level Cell), mit 2 Bit (Multi Level Cell), mit 3 Bit (Triple Level Cell) und mit 4 Bit (Quad Level Cell), zudem wird an 5 Bit (Penta Level Cell) gearbeitet. Jedes Bit mehr pro Zelle erhöht die Kapazität, gleichzeitig wird aber das Sichern von Daten aufwendiger. Dadurch sinkt die Schreibgeschwindigkeit und prinzipiell die Haltbarkeit der Zellen: Bei 2 Bit etwa sind vier Spannungszustände notwendig, bei 3 Bit dann acht und bei 4 Bit schon 16.

  • Anders als HDDs verzichten SSDs auf mechanische Bauteile zugunsten einer höheren Geschwindigkeit und niedrigeren Latenz.
  • Eine SSD benötigt einen Controller und (Flash-)Speicher, ein DRAM-Cache ist optional.
  • Heute üblich ist MLC- und TLC- sowie mittlerweile auch QLC-Speicher.

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Besonderheiten beim Speicher 
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Handle 02. Okt 2019 / Themenstart

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Renegade3349 02. Okt 2019 / Themenstart

So eine hatte ich in einem Z87 Board verbaut, was noch kein M2 hatte. Bis auf die...

Anonymer Nutzer 02. Okt 2019 / Themenstart

Naja. 42 Euro (Seagate Barracuda 7200 RPM 1 TB) 95 Euro (Irgendeine Markenhersteller 1...

Nin 02. Okt 2019 / Themenstart

Hängt vom Spiel ab, meist aber gibt es keinen großartigen Unterschied in der Performance...

ms (Golem.de) 01. Okt 2019 / Themenstart

Ich würde auch keine SN640 als kleine M.2-Version kaufen, sondern gleich das U.2-Modelle...

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