Einsatzgebiete und Vergleich von Festplatte, Hybridfestplatte und Solid State Drive

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Fallstudienarbeit
Hochschule:	Hochschule für Oekonomie & Management
Standort:	Düsseldorf
Studiengang:	Bachelor Wirtschaftsinformatik
Veranstaltung:	Fallstudie / Wissenschaftliches Arbeiten
Betreuer:	Dipl-Inf._(FH)_Christian_Schäfer
Typ:	Fallstudienarbeit
Themengebiet:	Bearbeiten von Einsatzgebiete und Vergleich von Festplatte, Hybridfestplatte und Solid State Drive
Autor(en):	Dennis Hannemann
Studienzeitmodell:	Abendstudium
Semesterbezeichnung:
Studiensemester:	3
Bearbeitungsstatus:	in Arbeit
Prüfungstermin:	30.01.2011
Abgabetermin:	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 einschlägt. In dieser Studie wird auf die verschiedenen Technologien eingegangen und deren Technik, sowie Vor- und 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].

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 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].

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.

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].

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].

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) Abb. 7: Speicherzustände Single Level Cell

entnommen aus SUPERTALENT(2010b) Abb. 8: Speicherzustände Multi Level Cell

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	MLC
Durchsatz	16Mbit	32Mbit	64Mbit
Lesegeschwindigkeit	100ns	120ns	150ns
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	Kapazität	Schnittstelle	Preis pro GB	Preis
Seagate Barracuda	2000GB	SATA II	0,05€	94,90€
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	Kapazität	Schnittstelle	Preis pro GB	Preis
Seagate Momentus XT	500GB	SATA II	0,21€	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
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.

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.

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].

Für dieses Beispiel würde sich folgender Wert ergeben

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
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 Q6600@2.40GHz 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].

Der maximale Wert, wie von OCZ angegeben, wurde nicht ganz erreicht, ist aber sehr nah dran und im Vergleich zu anderen SSD´s 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.

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.

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.

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.

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.

Zum Zeitpunkt des Tests stand die Hybridplatte Seagate Momentus XT nicht zur Verfügung. Die Werte wurden aus einem Test, ebenfalls mit HD Tune, übernommen.

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.

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.

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.

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.

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	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)
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	Literatur/Quelle
alternate(2010a)	Alternate GmbH(Hrsg.), Festplatten, Linden http://www.alternate.de/html/highlights.html?hgid=851&tgid=996&tn=HARDWARE&l1=Festplatten& (20.12.2010, 13:22 Uhr)
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