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Einsatzgebiete_und_Vergleich_von_Festplatte,_Hybridfestplatte_und_Solid_State_Drive
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Prüfungstermin:
Abgabetermin:
Fallstudienarbeit
Hochschule für Oekonomie & Management
Düsseldorf
Bachelor Wirtschaftsinformatik
Fallstudie / Wissenschaftliches Arbeiten
Dipl-Inf._(FH)_Christian_Schäfer
Fallstudienarbeit
Bearbeiten von Einsatzgebiete und Vergleich von Festplatte, Hybridfestplatte und Solid
State Drive
Dennis Hannemann
Abendstudium
3
in Arbeit
30.01.2011
30.01.2011
Inhaltsverzeichnis
• 1 Einleitung
• 2 Grundlagen und technologischer
Vergleich
♦ 2.1 Festplatte
♦ 2.2 Solid State Drive
♦ 2.3 Hybridfestplatte
• 3 Eigenschaften
♦ 3.1 Kosten/Nutzen
♦ 3.2 Belastbarkeit/Anfälligkeit
♦ 3.3 Lebensdauer
♦ 3.4 Energieverbrauch
♦ 3.5 Schnittstellen
♦ 3.6 Performance
Lesen/Schreiben
♦ 3.7 Zugriffszeiten
• 4 Einsatzgebiete der Technologien
♦ 4.1 Mobile
♦ 4.2 Desktop
♦ 4.3 Server
• 5 Bewertung der Technologien
• 6 Abkürzungsverzeichnis
• 7 Abbildungsverzeichnis
• 8 Tabellenverzeichnis
• 9 Fußnoten
• 10 Literatur- und Quellenverzeichnis
1 Einleitung
Datenträger sind eine essentielle Notwendigkeit, um unsere Informationen, unser Wissen und unsere gewonnen
Kenntnisse langfristig zu speichern und für unsere nachfolgenden Generationen zugänglich zu machen. In der
Entwicklung zeichnet sich ein Trend der weg von der klassischen Festplatte und hin zum Solid State Drive
Inhaltsverzeichnis
1
Einsatzgebiete_und_Vergleich_von_Festplatte,_Hybridfestplatte_und_Solid_State_Drive
einschlägt. In dieser Studie wird auf die verschiedenen Technologien eingegangen und deren Technik, sowie Vorund Nachteile aufzuzeigen. Festplatten, Solid State Drives und Hybridfestplatten werden auf ihre verschiedenen
Eigenschaften untersucht und gegenübergestellt. Es soll veranschaulicht werden, welche Technologie für welche
Einsatzgebiete am geeignetsten ist und welche Technologie die Zukunft darstellt.
2 Grundlagen und technologischer Vergleich
2.1 Festplatte
Die erste Festplatte, wie wir sie kennen, wurde von den IBM Mitarbeitern William Goddard und John Lynott im
Jahr 1956 entwickelt und trug den Namen IBM 350 disk storage unit und war Teil des 305 RAMAC[1]. Eine
Festplatte hat im Inneren mehrere Komponenten, die das Schreiben, Lesen und Speichern von Daten ermöglichen.
Der eigentliche Datenträger ist eine Metallscheiben aus Aluminium, die mit einer Eisenoxidlegierung beschichtet
ist. Hier sind bis zu 12 übereinanderliegende Scheiben auf einer Achse angeordnet. Die Oberfläche ist
elektromagnetisch. Zwischen diesen Scheiben befinden sich die Schreib-/Leseköpfe, die oberhalb unter unterhalb
der Scheiben angeordnet sind. Die Köpfe haben nur einen minimalen Abstand von ca. 25nm zu der jeweiligen
Scheibe. In der Regel gilt, je kleiner der Abstand zur Scheibe, desto besser können Signale geschrieben und
gelesen werden. Die Mechanik wird über Motoren gesteuert, d.h. die Scheiben auf der Achse werden durch einen
Elektromotor in Rotation gebracht und die Köpfe werden über einen Elektromotor auf die jeweilige Position der
Scheibe bewegt. Die Köpfe können nicht unabhängig bewegt werden und sind auf einer Achse verankert.
Gesteuert werden diese Komponenten über die Controllereinheit, die Kommunikation mit der Schnittstelle wie
z.B. SATA und das Caching sowie SMART Funktionalitäten verwaltet[2].
entnommen aus Hanser(2003)
Abb. 1: Modell einer Festplatte
Um die gespeicherten Daten auf der Festplatte speichern und verwalten zu können, bedarf es eines einheitlichen
Systems. Die Metallscheiben werden zunächst in konzentrische Spuren unterteilt. Realisiert wird das durch
schrittweises positionieren der Köpfe auf der Scheibe. Die Spuren werden von außen nach innen
durchnummeriert, d.h. Außen auf der größten Fläche beginnt Spur 0. Damit die Spuren unterschieden werden
können, sind diese durch kleine, nicht magnetisierte Bereiche getrennt. Als Maßeinheit wird TPI verwendet,
welches die Spuren pro Zoll misst. Ein Zylinder ist die vertikale Zusammenfassung aller Scheiben bzw. der
darauf befindlichen Spuren. So werden z.B. alle Spuren 0 auf den einzelnen Scheiben als ein Zylinder
zusammengefasst. Die Spuren werden in Sektoren und Blöcke unterteilt, die eine Größe von 512 Byte haben.
Schreib- und Lesevorgänge können immer nur auf einem Sektor getätigt werden, auch wenn unter Umständen
1 Einleitung
2
Einsatzgebiete_und_Vergleich_von_Festplatte,_Hybridfestplatte_und_Solid_State_Drive
nicht alle Daten die sich in dem Sektor befinden, benötigt werden. Ein Cluster ist eine Zusammenfassung von
mehreren Sektoren und ist die kleinste logische Einheit. Wird der Datenträger also mit einer typischen
Clustergröße von 4KB formatiert, so werden alle Dateien, auch wenn sie kleiner sind, diese 4KB belegen.
Größere Dateien werden dann über mehrere Cluster geschrieben. Wenn eine Datei 13KB hat, werden 4 Cluster
beschrieben. Eine Formel zur Berechnung der Kapazität auf der Festplatte lautet: Anzahl der Sektoren x Anzahl
der Schreib-/Leseköpfe x Anzahl der Zylinder[3].
entnommen aus tecchannel(2003c)
Abb. 2: Schreib-/Leseverfahren Festplatte
Es gibt 2 Schreibverfahren wie die Daten auf der Festplatte verarbeitet werden. Bei Longitudial Recording
schwebt der Kopf über der rotierenden und magnetisierten Scheibe. Um den Eisenkern des Kopfes ist ein
Kupferdraht gewickelt, der von Strom durchflossen wird, was auf dem Prinzip der Induktion basiert. Durch das
entstehende Magnetfeld, wird die Anordnung der magnetisierten Oberfläche der Scheibe verändert. Bei diesem
Verfahren werden die Daten horizontal auf der Scheibe gespeichert.
Abb. 3: Longitudial Recording
2.1 Festplatte
3
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Bei Perpendicular Recording werden die Magnetpartikel auf der Scheibe Vertikal ausgerichtet. Das erhöht die
Speicherdichte, setzt aber voraus, dass der magnetische Fluss tiefer in die Oberfläche eindringt. Realisiert wird es
durch einen besonders schmalen Hauptmagnetpol. Dies hat den Effekt, dass ein starker magnetischer Fluss
entsteht, der entsprechend tief in die Oberfläche eindringen kann. Auf der anderen Seite ist der Rückpol
entsprechend breit konstruiert, damit das Magnetfeld abgeschwächt wird, um die Daten, die vom Hauptpol
geschrieben werden, nicht zu löschen[4].
Abb. 4: Perpendicular Recording
Ursprünglich wurde bei den Leseköpfen die MR-Technologie eingesetzt. Diese können auch dann noch Daten
zuverlässig lesen, wenn die Spur einen hohen Rauschanteil aufweist. Der Lesekopf besteht aus mehreren
Schichten, deren Zwischenräume nicht magnetisiert sind. Das Prinzip beruht auf der Tatsache, dass sich der
Widerstand von bestimmten Materialien im Magnetfeld ändert. Dieser wiederum ist abhängig von der Stärke des
Magnetfeldes. Die Schichten des Kopfes sind unterschiedlich polarisiert. Je nach Signal der Scheibe ?0? oder ?1?
verändert sich die Polarität der ersten Schicht im Lesekopf und reagiert dementsprechend mit der 2 Schicht.
Hierdurch entsteht ein Signal, welches verarbeitet werden kann. Die Köpfe der MR-Technologie haben eine
Datendichte von 1500 MBit/inch2. Heute wird überwiegend die GMR-Technologie verwendet, da sie wesentlich
effizienter ist als MR und entsprechend höhere Datendichten haben. Diese beträgt ca. 200GBit/inch2[5]. Eine neue
Technologie sind die CPP-GMR-Köpfe. Diese sollen eine Datendichte von 500GBit/inch2 ermöglichen[6].
2.2 Solid State Drive
Anders als Festplatten, haben SSD keine Mechanik und dementsprechend keine bewegten Teile, was sie weniger
anfällig gegen Erschütterungen macht. SSD sind Laufwerke auf Basis von Flashmemory NOR oder NAND,
wobei sich NAND mittlerweile für diese Technologie durchgesetzt hat. NAND, welches aus
Feldeffekttransistoren besteht, ändert seinen Ladezustand über das sogenannte Floating-Gate. Das Floating-Gate
ist von einem Isolator (Oxidschicht) umgeben, damit der Ladezustand nicht verloren geht. Um Daten speichern
und löschen zu können, bedient man sich des quantenphysikalischen Tunneleffekts. Wenn der Zustand des
Floating-Gate nicht geladen ist, kann zwischen der Source-Drain Strecke ein Strom fließen. Möchte man den
Ladezustand des Floating-Gates ändern, legt man eine hohe Spannung 10-12V an dem Steuerkanal an, so dass die
Elektronen nicht mehr über die Source-Drain Strecke abfließen können. Durch das entgegenwirken des negativen
Potentials des Floating-Gates bleibt der Transistor geschlossen. Um die Elektronen aus dem Floating-Gate zu
entfernen, also die gespeicherten Daten zu löschen, muss am Steuerkanal eine hohe negative Spannung angelegt
sein, so dass die Elektronen wieder abfließen können[7].
2.2 Solid State Drive
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Abb. 5: Programmieren des Floating Gates
Abb. 6: Löschen des Floating Gates
Es gibt 2 unterschiedliche Zellentypen für NAND Speicher. Die Single Level Cell und die Multi Level Cell. Die
SLC kann nur 1 Bit pro Zelle speichern, da es eine fest definierte Spannung hat und wechselt zwischen den
Werten 0 und 1. 0 steht für ?programmiert? und 1 für ?gelöscht?. In Tabelle x.y ist zu sehen, wie die beiden
Zustände über die Spannung realisiert werden.
entnommen aus SUPERTALENT(2010a)
entnommen aus SUPERTALENT(2010b
Abb. 7: Speicherzustände Single Level Cell
Abb. 8: Speicherzustände Multi Level C
Die MLC kann max. 4Bit pro Zelle speichern. Dies wird durch unterschiedliche Schwellspannungen in der Zelle
ermöglicht.
Wert
Status
00
Vollständig Programmiert
01
Teilweise Programmiert
10
Teilweise Gelöscht
11
Vollständig Gelöscht
Tabelle Nr.1: Zustände Multi Level Cell
Nachteil hierbei ist, dass MLC, bedingt durch die unterschiedliche Spannung, wesentlich langsamer ist und eine
kürzere Lebensdauer als SLC hat. Der essentielle Vorteil ist, dass MLC eine höhere Datenkapazität hat und
günstiger ist als SLC. Dieser Vorteil hat sich bewährt gemacht und führte dazu, dass MLC mittlerweile Standard
im Massenmarkt ist[8].
Eigenschaften
SLC
Durchsatz
16Mbit
32Mbit
64Mbit
Lesegeschwindigkeit
100ns
120ns
150ns
2.2 Solid State Drive
MLC
5
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Blockgröße
64Kbyte
128Kbyte
Architektur
x8
x8 / x16
Lebensdauer
100.000
Zyklen
10.000 Zyklen
Betriebstemperatur
Industrie
Kommerziell
entnommen aus SUPERTALENT(2010d)
Tabelle Nr.2: Vergleich Eigenschaften SLC & MLC
SSD werden intern in Blöcke unterteilt. Ein Block kann nur ganz gelöscht oder ganz beschrieben werden. Gerade
bei kleineren Dateien hat das den Nachteil, dass die Performance erheblich beeinträchtigt wird. Windows 7 z.B.
legt beim Formatieren der SSD das Dateisystem (Cluster) über die Blöcke und legt die Clustergrenzen an die
Grenzen des Blocks, damit die Cluster die gleiche Größe haben wie die Blöcke. Windows XP beherrscht diese
Funktionalität nicht. So kann es vorkommen, dass ein Cluster über 2 Blöcke geschrieben wird und führt beim
Schreiben zu Performanceeinbußen, da immer 2 Blöcke beschrieben werden müssen. Zudem leidet die
Lebensdauer der SSD[9].
2.3 Hybridfestplatte
Hybridfestplatten vereinen die Festplatten- und SSD Technologien. Samsung brachte 2007 die ersten
Hybridplatten auf den Markt. Diese setzten sich damals aber nicht durch, da die Betriebssysteme noch nicht über
die notwendigen Optimierungsroutinen verfügten, um die SSD Technologie in ihrem vollen Potential
auszuschöpfen[10]. Momentan gibt es wenig Angebot für Hybridfestplatten. Ein Beispiel ist die Momentus XT
von Seagate. Diese nutzt die herkömmliche Festplattentechnologie mit einer Kapazität von bis zu 750GB,
kombiniert mit einer 4GB SSD mit SLC-Technologie. Für das Zusammenspiel von Festplatte und SSD setzt
Seagate die Adaptive Memory Technology ein. Häufig verwendete Daten werden in den SSD Bereich
geschrieben, um diese beim nächsten Aufruf schneller zur Verfügung stellen zu können. Laut Seagate soll der
Bootvorgang um bis zu 100% schneller sein als mit einer herkömmlichen Festplatte. Es benötigt allerdings
mehrere Bootvorgänge, bis die Hybridplatte alle notwendigen Daten auf den SSD Part ausgelagert hat. Die Platte
muss sozusagen das System erst einmal kennenlernen. Adaptive Memory funktioniert ähnlich wie ein Cache, nur
das die Daten auch bei Stromabschaltung erhalten bleiben. Der eigentliche Cache wie bei einer herkömmlichen
Festplatte ist aber auch vorhanden, da sonst die Performance erheblich leiden würde[11].
3 Eigenschaften
3.1 Kosten/Nutzen
Die Kosten für eine Festplatte sind im Vergleich zu SSDs sehr gering. Unabhängig von der Größe gibt es hier
allerdings auch große Preisunterschiede hinsichtlich der Schnittstellen, die letztendlich die Performance ausmacht
und der Baugrößen. Folgende Tabellen zeigen den Preisunterschied zwischen den einzelnen Laufwerken.
Preisunterschied bei 3,5 Zoll Festplatten mit einer Kapazität von
2TB
Name
Seagate Barracuda
2.3 Hybridfestplatte
Kapazität Schnittstelle Preis pro GB
2000GB
SATA II
0,05?
Preis
94,90?
6
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Seagate Constellation 2000GB
SAS
0,17?
334,00?
Tabelle Nr.3: Preisunterschied 3,5 Zoll
Preisunterschied bei 2,5 Zoll Festplatten mit einer Kapazität von
500GB
Name
Kapazität Schnittstelle Preis pro GB
Preis
Seagate Momentus
500GB
SATA II
0,13?
66,90?
Seagate Connstellation
500GB
SAS
0,45?
224,90?
>Tabelle Nr.4: Preisunterschied 2,5 Zoll
Es ist deutlich zu sehen, dass man für eine höhere Performance mehr als das Doppelte an Kosten hat. Die Kluft ist
bei Solid State Drives noch größer. Bei der Auswahl wurden bewusst hohe Kapazitäten gewählt, um den
Unterschied zur Festplatte deutlich zu machen[12].
Preisunterschied zwischen 2,5 Zoll SSDs und PCIe SSDs
mit 480GB bzw. 512GB
Name
Kapazität Schnittstelle Preis pro GB Preis
OCZ Vertex2
480GB
SATA II
3,60?
1.729?
OCZ R2 E88
512GB
PCIe
17,44?
8.999?
Tabelle Nr.5: Preisunterschied 2,5 Zoll SSDs
Die Hybridlaufwerke können nicht bezgl. der Schnittstellen verglichen werden, da es momentan nur Laufwerke
mit SATA II Anschluss gibt. Da beide Technologien verbaut sind, lässt sich aber ein guter Vergleich zur
Festplatte und SSD veranschaulichen[13].
Kosten für eine Hybridfestplatte mit 2,5 Zoll und einer Kapazität
von 500GB
Name
Seagate Momentus XT
Kapazität Schnittstelle Preis pro GB
500GB
SATA II
0,21?
Preis
104,90?
Tabelle Nr.6: Kosten 2,5 Zoll Hybridfestplatte
Fügt man die Werte aus 3.5 hinzu und setzt diese in Relation zum Preis wird deutlich, dass sehr hohe Performance
auch unproportional hohe Kosten verursacht. Es gilt also zu entscheiden, welche Performance für den Einsatz
benötigt wird und welche monetären Mittel zur Verfügung stehen.
3.2 Belastbarkeit/Anfälligkeit
Die Hybridfestplatte kann nicht in den Vergleich mit aufgenommen werden, da sie alle Eigenschaften beider
Technologien erbt. Bedingt durch die mechanische Konstruktion der Festplatte, sind die Schreib-/Leseköpfe ein
großer Nachteil hinsichtlich der Anfälligkeit. Gerade bei Erschütterungen kann es vorkommen, dass der Kopf auf
der Scheibe aussetzt und zerstört wird, so dass die Festplatte unbrauchbar ist. Solid State Drives haben diesen
Nachteil nicht. Sie sind wesentlich belastbarer als Festplatten und auch die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältiger
als bei Festplatten. Die folgende Übersicht stellt die beiden Technologien mit ihren Eigenschaften gegenüber[14].
Eigenschaften von Festplatte und Solid State Drive
3.1 Kosten/Nutzen
7
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Eigenschaft
Festplatte
Solid State Drive
Temperatur
5° - 60°
0° - 70°
Schockresistenz im Betrieb
63G für 2ms
Bis zu 1500G
Schockresistenz im Ruhezustand
300G für 2ms Keine Angaben
Tabelle Nr.7: Vergleich der Belastbarkeit Festplatte & SSD
Weiterer Nachteil einer Festplatte ist die Anfälligkeit auf äußere Einflüsse. Festplatten sind bezüglich ihrer
Einsatzhöhe begrenzt und vom Luftdruck abhängig. Dieser liegt zwischen ca. -200 Meter bis 3000 Meter über
dem Meeresspiegel. Grund für diese Limitierung ist das sich bildende und notwendige Luftpolster zwischen
Scheibe und Schreib-/Lesekopf. Wird der Luftdruck zu klein, kann sich das Luftpolster nicht mehr bilden und der
Kopf läuft Gefahr, auf der Scheibe aufzusetzen. Hier hat das Solid State Drive wieder den Vorteil, dass sie vom
Luftdruck unabhängig und entsprechend auch in extremen Höhen noch einsatzfähig ist[15]. Um die Kapazität der
Festplatten zu erweitern, müsste die Flächendichte der Platte erhöht werden. Dies wurde durch die fortwährende
Verkleinerung der einzelnen Bits also der konzentrischen Kreise realisiert.
entnommen aus zdnet(2006a)
Abb. 9: Konzentrische Kreise
Die Größe eines solchen Kreises beträgt ca. 8 Nanometer. Das macht die Festplatte empfindlich gegenüber
Temperaturschwankungen. Denn bereits geringe Schwankungen reichen aus, bedingt durch den
superparamagnetischen Effekt, um die magnetische Ausrichtung der Speicherbereiche umzukehren. Würde man
den Abstand weiter verkleinern, reichten minimalste Schwankungen aus, um die Ausrichtung zu verändern. Die
Daten auf der Festplatte wären verloren. Bleibt zu sagen, dass die Solid State Drive in punkto Belastbarkeit und
Anfälligkeit im Vorteil ist und somit in Bereichen eingesetzt werden können, wo Festplatten versagen[16].
3.3 Lebensdauer
Die Lebensdauer von Festplatten und Solid State Drives sowie von Hybridfestplatten wird von Herstellern meist
in Form von MTBF oder AFR angegeben. Diese Werte sind allerdings nicht praxisnah und werden über Formeln
theoretisch ermittelt. Der sogenannte Mean Time Between Failure zu Deutsch die mittlere Betriebsdauer
zwischen Ausfällen, wird in Stunden gemessen, also die Stunden bis es statistisch gesehen zu einem Ausfall
kommt. Wichtig hierbei ist die Angabe des Herstellers bezgl. der Power-On hours (PoH). Ein Beispiel soll
veranschaulichen wie Hersteller auf ihren MTBF kommen. Gibt der Hersteller an, dass die Platte für 24x7 Betrieb
geeignet ist, so lassen sich die Betriebsstunden für ein Jahr einfach ermitteln.
24 Stunden x 7 Tage x 52 Wochen = 8736 Stunden
Die meisten Hersteller nehmen als Referenz für die Statistik 100 Festplatten der gleichen Serie.
3.2 Belastbarkeit/Anfälligkeit
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8736 Stunden x 100 Festplatten = 873600 Stunden
Über das Jahr wird gemessen, wie oft und wie viele Platten ausfallen. In diesem Beispiel waren es insgesamt 15
Ausfälle. Diese werden durch die Summe der Stunden dividiert und man erhält den MTBF.
MTBF = 873600 Stunden / 15 Ausfälle = 58240 Stunden
Der MTBF ist wie schon erwähnt sehr theoretisch und dient nur zur groben Orientierung. Annualized Failure Rate
(AFR) zeigt die jährliche mittlere Fehlerrate der Festplatten und ist präziser[17].
Abb. 10: Formel für Annualized Failure Rate
Für dieses Beispiel würde sich folgender Wert ergeben
Abb. 11: Berechnung Annualized Failure Rate
D.h. die Ausfallrate dieser Platte bezogen auf ein Jahr liegt bei 1%. Aber auch AFR hat keine hundertprozentige
Aussagekraft, da hier viele Einflüsse, wie z.B. die Temperatur, sich auf die Lebensdauer eines Laufwerks
auswirken. Alle Tests wurden unter Laborbedingungen durchgeführt, die sich in der Praxis schlecht umsetzen
lassen. Bei der Garantie machen die Hersteller unterschiedliche Angaben. Bei den Seagate Festplatten erhält man
eine Garantie von 5 Jahren, ebenso bei den Hybridfestplatten. OCZ gibt 3 Jahre Garantie auf seine SSDs.
Beachtet man den technologischen Fortschritt ist es eher die Ausnahme, dass ein Laufwerk länger als 5 Jahre im
Einsatz ist. Eine Garantie, dass ein Laufwerk ausfallsicher ist, gibt es nicht. Es gibt aber Möglichkeiten, die
Wahrscheinlichkeit des Totalausfalls zu vermeiden bzw. zu verringern und zwar durch den Einsatz von RAIDs.
Diese Technologie bietet die Möglichkeit, Redundanzen zu erstellen und je nach Anzahl der Laufwerke den
Faktor zu verringern[18].
3.4 Energieverbrauch
Gerade bei mobilen Geräten ist es wichtig, möglichst stromsparende Komponenten zu verbauen. Bedingt durch
die Mechanik verbrauchen Festplatten gerade beim Start sehr viel Energie ( ca. 5W ).
Stromverbrauch der 3 Technologien im Überblick
Name
Verbrauch im Betrieb Verbrauch im Standby
Seagate Momentus(Festplatte)
2,5 Watt
0,96Watt
Seagate Momentus XT (Hybrid)
2,2 Watt
0,8 Watt
3.3 Lebensdauer
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OCZ Vertex 2 EX (SSD)
2 Watt
0,5 Watt
Tabelle Nr.8: Energieverbrauch der Technologien
Bei der SSD Technologie fällt der hohe Verbrauch beim Starten des Systems weg und auch im Betrieb hat diese
Technologie den niedrigsten Verbrauch[19][20].
3.5 Schnittstellen
Die momentan gängigste Schnittstelle ist SATA II. Sie wird bei Festplatten, Hybridfestplatten und SSDs
eingesetzt. SATA II hat eine maximale Übertragungsrate von 300 MB/s. Die Übersicht, angefangen von IDE bis
hin zu PCIe, soll veranschaulichen, welche Übertragungsraten theoretisch möglich sind.
Übertragungsraten der einzelnen Schnittstellen
Name
Übertragungsrate
IDE
133 MB/s
SATA
150 MB/s
SATA II
300 MB/s
SATA III
600 MB/s
SCSI
320 MB/s
SAS
300 MB/s
SAS II
600 MB/s
SAS III
1200 MB/s
PCIe 3.0 x4
4000 MB/s
PCIe 3.0 x8
8000 MB/s
Tabelle Nr.9: Übertragungsraten Schnittstellen
Die Übertragungsraten bei Festplatten sind durch ihre Mechanik beschränkt. Es macht also keinen Sinn eine
Festplatte an eine PCIe 3.0 x8 Schnittstelle anzuschließen. Allerdings werden i.d.R. mehrere Laufwerke an einer
Schnittstelle angeschlossen. Die Bandbreite wird auf alle Laufwerke verteilt. IDE und alle SATA Klassen werden
überwiegend im Desktopbereich eingesetzt. SATA III wurde im Jahr 2007 eingeführt und wird in immer mehr
Mainboards verbaut[21].
3.6 Performance Lesen/Schreiben
Die Herstellerangaben bezgl. der Geschwindigkeit sind meist sehr optimistisch. So soll die maximale
Schreib/Lesegeschwindigkeit der OZC Vertex2 bei 275 MB/s & 285 MB/s liegen. Die durchgängige
Schreibgeschwindigkeit bei 250 MB/s. Ein weiteres Kriterium für ein performantes Laufwerk sind die
Input/Output Operation per second (IOPS). Wie sich aus dem Begriff ableiten lässt, geht es hier um die
Ein-/Ausgabe Befehle pro Sekunde, die verarbeitet werden können. OCZ gibt bei der Vertex2 einen Wert von
50.000 IOPS an. Ein Selbsttest soll veranschaulichen, ob wirklich diese Datendurchsätze erreicht werden. Für den
Test wurde das Benchmark Tool HD Tune von EFD Software verwendet. Testsystem ist ein Intel
[email protected] mit 4GB OCZ DDR2800 und einem INTEL 975EXPRESS Chipsatz. Die Vertex2 ist an einem
SATAII Port angeschlossen. Der erste Test prüft die Lesegeschwindigkeit der Vertex2. Die hierfür verwendete
Blocksize beträgt 512 KB[22][23].
3.4 Energieverbrauch
10
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Abb. 12: Lesevorgang OCZ Vertex2
Der maximale Wert, wie von OCZ angegeben, wurde nicht ganz erreicht, ist aber sehr nah dran und im Vergleich
zu anderen SSDŽs ausgezeichnet. Bedingt durch die Tatsache, dass Windows 7 bei der Installation eine 100MB
System Partition auf der SSD anlegt, konnte der Schreibtest nicht durchgeführt werden. Dieser schreibt vor, dass
nur unpartitionierte Laufwerke getestet werden können, da es sonst zu Datenverlust kommen könnte. Im nächsten
Schritt werden die IOPS getestet.
Abb. 13: IOPS bei zufälligem Zugriff
OCZ hat, wie schon erwähnt, beim Random Access mit 4KB bis zu 50.000 IOPS angegeben. Wie aus der
Messung zu entnehmen ist, wurde dieser Wert bei weitem nicht erreicht, sondern lag lediglich bei 6867 IOPS.
Auch der 2. Test brachte nicht annähernd das Ergebnis von 50.000 IOPS und lag bei 7253 IOPS.
3.6 Performance Lesen/Schreiben
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Abb. 14: IOPS bei verschiedenen File Größen
Für den Festplattentest wird die Maxtor DiamondMAX 10 verwendet. Die Festplatte hat 16MB Cache und läuft
mit 7200 RPM. Bezüglich der Lese-/Schreibgeschwindigkeit und IOPS wurden keine Angaben gemacht. Für den
Test werden die gleichen Einstellungen wie bei der Vertex2 verwendet.
Abb. 15: Lesevorgang Maxtor Festplatte
Hier ist deutlich zu sehen, dass die Performance weit unter den Werten der Vertex2 liegt. Was auffällt ist, dass die
CPU zu 2% mehr ausgenutzt wird als bei der Vertex2.
Abb. 16: Zufälliger Zugriff Maxtor
Auch im Bereich der Operationen pro Sekunde ist die Maxtor deutlich unterlegen. So können bei 4KB 69 IOPS
verarbeiten werden, was ca. einem 1/100 der Vertex2 entspricht.
3.6 Performance Lesen/Schreiben
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Abb. 17: IOPS bei verschiedenen Filegrößen
Zum Zeitpunkt des Tests stand die Hybridplatte Seagate Momentus XT nicht zur Verfügung. Die Werte wurden
aus einem Test, ebenfalls mit HD Tune, übernommen.
entnommen aus umlan(2011)
Abb. 18: Lesevorgang Momentus XT
Hier fällt direkt der Vorteil der SSD Komponente auf, die Zugriffszeit. Diese liegt bei 0,6ms was SSD typisch ist.
Auch die Perfomance ist wesentlich besser als bei einer SATAII Festplatte.
entnommen aus cluboc(2010)
Abb. 19: IOPS Momentus XT
3.6 Performance Lesen/Schreiben
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Einsatzgebiete_und_Vergleich_von_Festplatte,_Hybridfestplatte_und_Solid_State_Drive
Ein weiterer Vorteil, den die Momentus aus der SSD Komponente zieht, sind IOPS. Diese liegen bei 4KB
Blöcken bei 3089IOPS. Also erheblich mehr als bei einer Festplatte. Stellt man die 3 Laufwerke gegenüber, wird
klar, dass sich die OCZ Vertex2 weit von den anderen Laufwerken abhebt. Allerdings kostet sie mit ca. 180? in
der 120GB Version auch fast das Doppelte.
3.7 Zugriffszeiten
Das langsame Ansprechverhalten bei Festplatten ist der Mechanik zu verdanken. Hier muss erst die physische
Strecke zu dem entsprechenden Sektor hinterlegt werden, zudem spielt die Rotation der Scheibe eine Rolle. Bei
den Solid State Drive gibt es diese Mechanik nicht. Hier wirken sich lediglich die Schaltzeiten auf die Latenzzeit
aus und sind wesentlich geringer als bei Festplatten. Die Hybridlaufwerke machen sich die Technik der SSD
zunutze und haben entsprechend ähnliche Latenzzeiten. Das nachfolgende Diagramm stellt die 3 Technologien
gegenüber. Referenzwerte sind aus dem vorangegangen Test bezgl. der Perfomance.
Abb. 20: Latenzzeiten der Technologien
Das Diagramm veranschaulicht nochmal ganz deutlich den enormen Unterschied bezgl. des Ansprechverhaltens.
4 Einsatzgebiete der Technologien
4.1 Mobile
Bei Festplatten ist der große Nachteil, dass diese sehr empfindlich auf Erschütterungen reagieren und es passieren
kann, dass einer der Köpfe auf der Scheibe aufsetzt. Momentan sind im Laptopbereich noch überwiegend 2,5?
Festplatten im Einsatz. Man hat sich verschiedener Möglichkeiten bedient, um zu verhindern, dass wenn ein
Laptop bedingt durch einen Sturz einer Erschütterung erliegt, die Daten verloren gehen wie z.B., dass die
Festplatte in den Parkmodus springt, wenn das Laptop einer gewissen Beschleunigung ausgesetzt wird. Es
zeichnet sich aber der Trend aus, dass immer mehr SSDs in Laptops verbaut werden, da hier die Eigenschaften
überragend sind. Die SSD hält wesentlich größeren Erschütterungen stand als die Festplatte und ist aufgrund ihrer
performanten und stromsparenden Eigenschaften besser für Notebooks geeignet.
3.7 Zugriffszeiten
14
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4.2 Desktop
Im Desktopbereich macht eine Kombination, bedingt durch die hohen Preise der SSD, aus beiden Technologien
Sinn. So lässt es sich vorstellen, dass z.B. für das Betriebssystem und Programme eine schnelle SSD verwendet
wird, die kein großes Datenvolumen hat und für große Datenmengen zusätzlich eine Festplatte verbaut wird.
Hybridlaufwerke versuchen diese Kombination miteinander zu vereinen, sind aber wie in Punkt 3.6 beschrieben
nicht so performant wie eine reine SSD. Auch der Markt bietet kein großes Sortiment an Hybridfestplatten. Man
könnte es auch als Übergangstechnologie bezeichnen.
4.3 Server
Im Serversegment kommt es auf die Aufgabe an. Sind viele I/O notwendig wie z.B. bei einem Datenbankserver,
so macht ein Solid State Drive Sinn. Allerdings spielen hier die Kosten auch eine Rolle. Eine SSD mit SLC
Technologie und 512GB an Kapazität kostet 8.929? und bietet 29.000 IOPS. Es ist immer eine Frage der
Notwendigkeit und der finanziellen Mittel, in welche Technologie investiert wird[24].
5 Bewertung der Technologien
Der Vergleich hat gezeigt, dass aus technologischer Sicht das Solid State Drive unschlagbar ist. Es ist die
schnellste und belastbarste Technologie. Allerdings ist das Solid State Drive im Verhältnis zur normalen
Festplatte unwirtschaftlich und gerade bei hohen Kapazitäten sehr teuer. Wenn hohe Kapazitäten erforderlich sind
und auf die Kosten geachtet werden muss, ist die Festplatte nach wie vor die geeignete Technologie. Die
Hersteller versuchen mit der Hybridfestplatte die Vorteile der SSD in eine normale Festplatte zu implementieren.
Der Vergleich hat aber gezeigt, dass die Leistung einer Hybridfestplatte nicht an die einer SSD herankommt.
Kommt noch hinzu, dass die Hybridfestplatte auch fast das Doppelte wie eine herkömmliche Festplatte kostet.
Der Trend geht aber ganz klar in Richtung Solid State Drive, die Preise pro GB fallen ständig.
4.2 Desktop
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Einsatzgebiete_und_Vergleich_von_Festplatte,_Hybridfestplatte_und_Solid_State_Drive
entnommen aus PreisTrend(2011)
Abb. 21: Preisverfall OCZ Vertex2
Der Graph anhand der im Vergleich genutzten SSD zeigt es nochmal deutlich. Dieser zeigt wie der Preis alleine
für die im Test verwendete Vertex2 über die letzten 6 Monate gefallen ist. So ist es wahrscheinlich, dass auch
höhre Kapazitäten schon im nächsten Jahr bezahlbar sind und die Vorteile der SSD für jedermann zugänglich
sind.
6 Abkürzungsverzeichnis
Abkürzung
Name
AFR
Annualized Failure Rate
CPP-GMR-Köpfe
Current Perpendicular to sensor Plane-Giant
Magnetoresistance-Köpfe
GMR-Technologie Giant Magnetoresistance Technologie
IDE
Integrated Drive Electronics
IOPS
Input/Output Operations Per Second
MLC
Multi Level Cell
MR-Technologie
Magnetic Resonance Technologie
MTBF
Mean Time Between Failures
NAND
NOT AND
PCIe
Peripheral Component Interconnect Express
PoH
Power-on hours
RAMAC
Random-Access Method of Accounting and
Control
SATA
Serial Advanced Technology Attachment
SAS
Serial Attached SCSI
SCSI
Small Computer System Interface
SLC
Single Level Cell
SMART
Self-Monitoring, Analysis and Reporting
Technology
SSD
Solid State Drive
TPI
Tracks per Inch
7 Abbildungsverzeichnis
Abbildungs-Nr. Bezeichnung
1
Modell einer Festplatte
2
Schreib-/Leseverfahren Festplatte
3
Longitudial Recording
4
Perpendicular Recording
5 Bewertung der Technologien
16
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5
Programmieren des Floating Gates
6
Löschen des Floating Gates
7
Speicherzustände Single Level Cell
8
Speicherzustände Multi Level Cell
9
Konzentrische Kreise Festplatte
10
Formel für Annualized Failure Rate
11
Berechnung Annualized Failure Rate
12
Lesevorgang OCZ Vertex2
13
IOPS bei zufälligem Zugriff
14
IOPS bei verschiedenen Filegrößen Vertex2
15
Lesevorgang Maxtor Festplatte
16
Zufälliger Zugriff Maxtor
17
IOPS bei verschiedenen Filegrößen Maxtor
18
Lesevorgang Momentus XT
19
IOPS Momentus XT
20
Latenzzeiten der Technologien
21
Preisverfall OCZ Vertex2
8 Tabellenverzeichnis
Tabellen-Nr. Bezeichnung
1
Zustände Multi Level Cell
2
Vergleich Eigenschaften SLC & MLC
3
Preisunterschied 3,5 Zoll
4
Preisunterschied 2,5 Zoll
5
Preisunterschied 2,5 Zoll SSDs
6
Kosten 2,5 Zoll Hybridfestplatte
7
Vergleich der Belastbarkeit Festplatte &
SSD
8
Energieverbrauch der Technologien
9
Übertragungsraten Schnittstellen
9 Fußnoten
1. ? vgl.tecchannel(2003a)
2. ? vgl.tecchannel(2003b)
3. ? vgl.schule(2002)
4. ? vgl.EK(2010)
5. ? vgl.tecchannel(2003d)
6. ? vgl.heise(2007)
7. ? vgl.DM(2008)
7 Abbildungsverzeichnis
17
Einsatzgebiete_und_Vergleich_von_Festplatte,_Hybridfestplatte_und_Solid_State_Drive
8. ? vgl.SUPERTALENT(2010c)
9. ? vgl.maxxx(2010)
10. ? vgl.chip(2008)
11. ? vgl.seagate(2010a)
12. ? vgl.alternate(2010a)
13. ? vgl.alternate(2010b)
14. ? seagate(2011)
15. ? vgl.vnr(2010)
16. ? vgl.zdnet(2006b)
17. ? vgl.tecchannel(2005)
18. ? vgl.LM(2009)
19. ? vgl.seagate(2010b)
20. ? vgl.OCZ(2010a)
21. ? vgl.EK(2010b)
22. ? vgl.OCZ(2010b)
23. ? vgl.msxfaq(2010)
24. ? vgl.alternate(2010c)
10 Literatur- und Quellenverzeichnis
Verweis
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10 Literatur- und Quellenverzeichnis
19