SSDs bei Google: SLC- und MLC-Flash-Speicher sind fast gleich gut
SSDs gibt es mit SLC-, MLC- und TLC-Flash-Speicher. Ihnen sagt man unterschiedliche Zuverlässigkeiten nach. SLC wird gerne als Unternehmensspeicher eingesetzt. Zunehmend kommen aber auch MLC und der Enterprise-Ableger eMLC zum Einsatz. Bianca Schroeder von der University of Toronto hat nun zusammen mit Google Forschungsergebnisse über die Einsatzdauer von SSDs mit SLC-, MLC- und eMLC-Technik über einen Zeitraum von sechs Jahren veröffentlicht(öffnet im neuen Fenster) und kommt dabei zu unerwarteten Ergebnissen.
Zunächst müssen aber erst einmal ein paar Begriffe geklärt werden: SLC steht für Single-Level-Cell und wird allgemein als besonders zuverlässig, teuer und schnell eingestuft. MLC steht für Multi-Level-Cell und sorgte bei der breiten Einführung dafür, dass SSDs bezahlbar wurden. TLC alias Triple-Level-Cell ist für die jüngsten Kapazitätsrekorde verantwortlich, muss aber teils SLC als Cache emulieren, um zumindest zeitweise hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Die jeweiligen Zellen speichern entsprechend der Technik ein, zwei beziehungsweise drei Bits.
SLC-Flash ist trotz der Nutzung von nur einem Bit je Zelle nicht zuverlässiger als MLC-Speicher, der auf ähnlich kleinem Raum zwei Bits unterbringt, was die Fehleranfälligkeit eigentlich erhöhen sollte. Vergleichbar ist das mit einer Festplatte mit einer 250-GByte-Scheibe (Platter) und einem 500 GByte großen Platter. Schlägt der Lesekopf auf gleicher Länge auf den Platter auf, wird bei letzterem die doppelte Menge an Bits von der Speicherscheibe heruntergekratzt. Ähnlich verhält es sich bei Flash-Zellen, auch wenn aufgrund des Fehlens mechanischer Bauteile das Ganze bei SSDs nicht so zerstörerisch passieren kann.
Zuverlässigkeitsdaten der letzten sechs Jahre
Doch die pauschalen Vorurteile bezüglich des MLC-Speichers konnten im Google-Rechenzentrum widerlegt werden. Sie sind seit mindestens sechs Jahren nicht mehr gültig, da Bianca Schroeder seitdem auf Daten Zugriff hatte, die sich auf zehn unterschiedliche Laufwerkstypen beziehen. Dabei wurden Daten von vier MLC-, vier SLC- und zwei neueren eMLC-SSDs erfasst, die Kapazitäten zwischen 480 GByte und 2 TByte bieten. Letztere wurden nur für die letzten drei Jahre erfasst. Alle anderen für jeweils vier Jahre. Allerdings sind die Daten nur beispielhaft: Lediglich vier Hersteller sind vertreten. Welche das sind, verrät die Arbeit nicht, es sind aber alles Hochleistungs-Enterprise-SSDs für den Dauereinsatz.
Je kleiner die Strukturrate, desto höher die Raw Bit Error Rate
Unterschiede zwischen den SSDs gibt es dennoch. Nicht zwischen MLC und SLC, sondern bei der Verwendung der Lithographie: SSDs, deren Flash-Zellen mit geringerer Strukturbreite gefertigt wurden, zeigen beispielsweise einen deutlich höheren Wert bei der Raw Bit Error Rate (RBER). Interessanterweise lässt sich anhand der RBER auch kein besonders zuverlässiger Hersteller ausmachen. Laut Schroeder ist ein Hersteller sowohl für den schlechtesten als auch den besten Wert verantwortlich.
Anhand der Google-Daten zeigen sich noch andere Phänomene: SSDs werden grundsätzlich mit Bad Blocks ausgeliefert. Hier zeigte sich, dass ein SLC-Speicher keine Vorteile hat. Der SSD-Typ, bei dem die wenigsten Datenträger ohne Fehler ausgeliefert wurden, nutzte SLC-Speicher. Insgesamt waren "nur" 97 Prozent aller SSDs mit Bad Blocks ab Werk ausgestattet. Die schlechteste SSD-Serie wurde komplett mit Fehlern ausgeliefert und arbeitet ebenfalls mit SLC-Speicher. Bei der Entwicklung solcher Bad Blocks im Laufe der Lebenszeit ist Ähnliches zu beobachten. Das schlechteste Modell hatte eine Rate von über 90 Prozent und setzt auf SLC-Speicher. Nur 30 Prozent aller Laufwerke eines MLC-Modells entwickelten hingegen Bad Blocks. Allerdings ist es für MLC-SSDs typisch, dass diese nach den ersten fehlerhaften Blöcken sehr viel schneller mehr fehlerhafte Blöcke produzieren. Die Werte sollten aber nicht überbewertet werden. Sie sind schlicht normal für SSDs.
Festplatten entwickeln nicht so häufig Bad Blocks
Im Vergleich zu Festplatten sind das enorm hohe Werte. Eine andere Arbeit, auf die Schroeder und Google verweisen, gibt an, dass in einem Zeitraum von 32 Monaten nur 3,5 Prozent der Laufwerke überhaupt fehlerhafte Blöcke entwickeln.
Auch zu den reparaturbedürftigen SSDs gibt es Informationen aus den Google-Daten. Und hier sieht es für SLC-SSDs teils überraschend schlecht aus. Zwei SLC-Modelle hatten innerhalb der ersten vier Jahre Reparaturraten von 25 bis 30 Prozent. Die anderen beiden SLC-Modelle sind mit 8 bis 10 Prozent wiederum ziemlich gut. Die vier MLC-SSDs bewegen sich im Bereich von 8 bis 17 Prozent. Die eMLC-Varianten haben Raten von 6 bis 10 Prozent. Angeblich auch über einen Zeitraum von vier Jahren. Eingangs wurde in dem Papier allerdings erwähnt, dass die eMLC-SSDs erst seit drei Jahren erfasst wurden. Die Mean Time Between Repairs, also die Zeit zwischen zwei reparaturbedürftigen Ausfällen auf die ganze Serie gerechnet, liegt zwischen wenigen Tausend Tagen des Einsatzes bis hin zu über 14.000 Tagen Einsatz. Das ist erheblich weniger, als MTBF-Werte (Mean Time Between Failures) der Hersteller in der Regel suggerieren.
Der Einsatz von SSDs lohnt sich aus Reparatursicht
In der Regel kann die Hälfte der Laufwerke nach einer Reparatur wieder eingesetzt werden. Auch wenn die Datenerhebung hier etwas unscharf ist, denn der Grund dafür, dass ein Laufwerk nicht wieder in den Einsatz kommt, wurde nicht erfasst. Insgesamt ist die Reparaturanfälligkeit von SSDs in dieser Arbeit geringer als die von Festplatten. Dafür ist die Anzahl der nicht korrigierbaren Fehler bei SSDs höher.
Was bei der Lektüre der Arbeit beachtet werden sollte, ist der Umstand, dass es sich hierbei tendenziell um SSDs handelt, die einen gewissen Grundgrad an Zuverlässigkeit bieten. Für den Dauereinsatz ist das unabdingbar. Zudem arbeitet Google mit angepassten SSDs. Der Bericht nennt zwar keine Namen, aber Billig-SSDs mit bekannten Firmware-Problemen oder schwachen Controllern dürften wohl kaum zum Einsatz kommen.
Insgesamt überrascht aber die hohe allgemeine Ausfallquote im Dauerbetrieb in Googles Rechenzentren. Dass es selbst im Unternehmensbereich SSD-Modelle gibt, die innerhalb von vier Jahren mit hohen Raten ausgetauscht werden, zeigt, dass es noch an Erfahrung mangelt und der Anwender in Rechenzentren mitunter erst Jahre später erfährt, ob sich das Modell gelohnt hat.
Studie hilft nicht als Kaufberatung
Eine Empfehlung für gute oder schlechte SSDs lässt sich so aus mehreren Gründen nicht herauslesen. Zum einen werden in dem Papier keine Hersteller genannt und zum anderen sind die dort betrachteten Modelle mindestens drei Jahre alt. Bei den derzeitigen Produktzyklen lohnen sich Erfahrungswerte kaum. Die SSDs bieten immer mehr Kapazität und die Controller wie auch die Firmware werden stetig weiterentwickelt. Endkunden-SSDs sind erst seit 2,5 Jahren kapazitätstechnisch auf dem Niveau von 7-mm-2,5-Zoll-Festplatten . Wer anhand der Google-Daten ein Produkt kaufen wollen würde, hätte damit recht alte Technik in seinem Rechner. TLC-SSDs betrachtet Google gar nicht erst. Die Technik gibt es noch nicht lange genug. Der Enterprise-TLC-Markt entwickelt sich erst . Dell hat beispielsweise erst Mitte 2015 angekündigt TLC in Storage-Systemen zu unterstützen(öffnet im neuen Fenster) .
Die Erfahrung aus den Google-Rechenzentren zeigt: Auch wer SSDs einsetzt, sollte regelmäßig Backups durchführen. Völlig unabhängig davon, ob eine SLC-, MLC- oder eine TLC-SSD im Einsatz ist. Pauschal lässt sich nicht sagen, welche Technik die bessere ist. Es hängt offenbar viel vom Können der SSD-Ingenieure ab.