Producten – SSD's

Flashgeheugen


Anders dan bij harde schijven worden bij de Solid State Drives (SSD) geen magnetische deeltjes ingezet voor de opslag van gegevens. SSD's zijn gebaseerd op niet-vluchtig flashgeheugen, ook wel NAND genoemd. Bij een flashgeheugen worden de gegevens in fysieke geheugencellen opgeslagen. Al naar gelang het aantal gegevensbits dat in een individuele cel past, wordt een andere benaming gebruikt. Momenteel kunnen in de zogenaamde Quad Level-Cell (QLC) vier bits in een individuele cel worden opgeslagen.

Een overzicht: De verschillende aspecten van Solid State Drives

SSDs

De verschillende vormfactoren van SSD's

2,5 inch station

De meest voorkomende vormfactor voor Solid State Drives is een 2,5 inch station. Bij een 2,5 inch station zijn breedte en lengte gestandaardiseerd, maar de hoogte niet. Voor notebooks wordt vaak een hoogte van 7 mm gebruikt. Bij Enterprise omgevingen worden normaal gesproken stations met een hoogte van 9 mm of 15 mm gebruikt. SSD's in 2,5 inch formaat ondersteunen de interfacetechnologieën SATA, SAS en NVMe.

Add-In-Card (AIC)

Een verdere vormfactor is de add-in kaart, dus een kaart die in het PCIe-slot van de server wordt gestoken. Deze SSD's zijn alleen verkrijgbaar met NVMe-interface. Aangezien de communicatiebus van de AIC SSD's breder (x8 of x16) is dan die van de 2,5 inch variant hebben de AIC SSD's een sterker performanceprofiel.

M.2

M.2 is een SSD-vormfactor in de vorm van een smalle bare-card, die direct met het motherboard wordt verbonden en normaal gesproken via het interface NVMe of SATA communiceert. NVMe-versies gebruiken ofwel x2- of x4 PCIe-lanes, terwijl op SATA gebaseerde M.2 SSD's standaard SATA-III-signalen gebruiken. Aangezien M.2 SSD's zeer klein zijn en de mogelijkheden voor warmte-afvoer binnen een systeem vaak beperkt zijn, moet bijzonder worden gelet op het warmtemanagement, aangezien anders de performancestabiliteit van de SSD op lange termijn negatief kan worden beïnvloed.



SSDs SSDs SSDs SSDs
Vormfactor: 2,5 inch station Add-in kaart M.2
Afmetingen 70 x 100 mm7 - 15 mm hoogte 65 x 170 mm (HH-HL) 22 x 30 - 110 mm
Normaal energieverbruik 11 - 20 W Jusqu‘à 25 W < 8 W
Bij lopend bedrijf vervangbaar Ja Nee Nee
JBOD/JBOF-behuizing support Ja Misschien Misschien

De interfaces

De SSD's communiceren via het interface met de host. Momenteel worden SSD's met de volgende interfaces aangeboden: SATA (Serial ATA), SAS (Serial Attached SCSI) en NVMe (PCIe). SATA wordt ingezet bij SSD's die zich richten op prijsbewuste gebruikers. SAS is het geschikte interface voor gebruik in ondernemingen die functies als Multipath voor hoog beschikbare toegang nodig hebben. SSD's met een NVMe-interface hebben de geringste latenties en de hoogste bandbreedte, ze worden ingezet als de opslagsnelheid belangrijk is. De beide interfaceprotocollen SATA en SAS worden zowel voor SSD's als voor harde schijven gebruikt, terwijl NVMe uitsluitend wordt ingezet bij SSD's.


De verschillende NAND-flash types

De NAND-flashtechnologie kan vandaag de dag op elke NAND-cel meer dan één bit gegevens opslaan. Dat is mogelijk omdat het schrijf- en leesalgoritme nauwkeurig door het geheugen wordt aanpast. Daardoor kon in de afgelopen jaren het aantal bruikbare flashbits per SSD voortdurend worden verhoogd.

Bij de SLC-technologie (Single-Level Cell) kan een NAND-cel slechts de waarden 0 of 1 opslaan. Deze methode werd toegepast in oudere SSD's. Aangezien de kosten echter hoog en de verhouding tussen performance en betrouwbaarheid onvoordelig is, wordt deze technologie tegenwoordig nauwelijks nog toegepast.

MLC-technologie (Multi-Level Cell) maakt gebruik van vier verschillende spanningsniveaus en kan daarmee twee bit per cel opslaan. Vergeleken met de SLC-technologie verdubbelt deze technologie daarmee de capaciteit van een individuele NAND-chip. Daarmee konden de kosten voor SSD's voor het eerst worden gereduceerd. De MLC-technologie wordt voor SSD's in Enterprise omgevingen gebruikt, aangezien deze technologie een effectief benutten van cellen met een desondanks lange levensduur combineert.

De nieuwste commercieel ingezette technologie is TLC-NAND (Triple-Level Cell). Hiermee kunnen drie bits per cel in acht verschillende spanningsniveaus worden opgeslagen, waardoor een nog hogere opslagdichtheid wordt bereikt. Daardoor worden de toegangstijden echter langer en het aantal mogelijke schrijf- en leescycli wordt gereduceerd. Hoe meer spanningsniveaus er worden gebruikt, des te moeilijker wordt de onderscheiding tussen de afzonderlijke spanningen en de kans op fouten stijgt.

QLC NAND (Quad-Level Cell) slaat vier bits aan gegevens op in een individuele NAND-cel. Deze technologie zit bij verschillenden SSD-aanbieders in de pipeline. Aangezien voor deze technologie in het flashgeheugen in elke cel 16 verschillende spanningsniveaus moeten worden opgeslagen, heeft deze een zeer korte schrijflevensduur en verwacht wordt dat deze technologie vooral zal worden ingezet bij archiefopslag, waarbij zelden wordt overschreven.

SSDs
Stand februari 2019

De ontwikkeling van 2D NAND naar 3D NAND

Om tegemoet te komen aan de groeiende vraag naar grotere geheugencapaciteiten, verhogen producenten van NAND-flashgeheugens de geheugencapaciteit van vlakke flashgeheugens met steeds kleinere NAND-bouwstenen. Inmiddels is de technische limiet voor de opslagdichtheid bij de 2D-NAND-technologie bereikt.

Voortaan zal de groeiende behoefte aan geheugencapaciteit moeten worden vervuld met de 3D-NAND-technologie. Tegelijkertijd willen de producenten van 3D-NAND de levensduur van het geheugen en de daarop opgeslagen gegevens met de nieuwe technologie verbeteren.

De meeste actueel beschikbare 3D-NAND zijn gebaseerd op TLC NAND (Triple Level Cell). Er zijn twee verschillende technologieën bij het 3D-NAND-geheugen: Charge Trapping Flash (CTF) en Floating Gate Flash (FG). Het verschil tussen beide technologieën zit hem in de manier waarop de lading wordt opgeslagen. Van de grote NAND-producenten maakt Intel/Micron gebruik van 3D-geheugens met FG-technologie, terwijl Samsung, Toshiba en Western Digital de CTF-Technologie gebruiken.


Levensduur van SSD's

De levensduur van een SSD is een belangrijk criterium bij de keuze van het passende station, aangezien de flashcellen slechts een beperkt aantal schrijf- en wiscycli toelaten. Door het fysieke proces van het schrijven en wissen van gegevens treedt slijtage van het flashgeheugen op. Daarom hebben flashstations verschillende levensduurwaarden, die gaan van 100 tot meer dan 10.000 keer schrijven of wissen.



Berekening van de SSD-levensduur

De levensduur van SSD's wordt in de regel ofwel in Drive Writes per Day (DW/D of DWPD) of in Terabytes Written (TBW) aangegeven. Deze cijfers hebben betrekking op de hoeveelheid gegevens die gegarandeerd tijdens zijn levensduur op het flashgeheugen kunnen worden geschreven.



DWPD, het aantal schrijfopdrachten per dag en station is de meest voorkomende aanduiding voor de levensduur van SSD's. Met dit getal wordt de hoeveelheid gegevens aangegeven die elke dag tijdens de garantieperiode kan worden geschreven. Een rekenvoorbeeld:
Een 1 TB SSD met 3 DW/D en een garantie van 5 jaar kan dus 1 TB * 3 DW/D * (365 * 5) = 5'475 TB aan schrijfopdrachten verwerken.



Als voor SSD's de gebruiksduur in TBW wordt aangegeven, heeft de berekening van het totale aantal schrijfopdrachten al plaatsgevonden, de vermelde gegevens kunnen direct worden vergeleken. Een SSD met 1000 Terabytes Written kan dubbel zoveel schrijfopdrachten verwerken als een station waarbij 500 TBW is aangegeven.
De TBW per station hangen ook af van de capaciteit van het medium. Bij 250 GB-SSD liggen ze tussen de 60 en 150 TBW. Op een gemiddelde kantoorcomputer worden per dag tussen de 10 en 35 GB opgeslagen. Grof omgerekend naar 40 GB per dag, zou de SSD pas na bijna vijf jaar een nominale endurance van 70 TBW bereiken.