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Warum scheint meine SSD vorzeitig Verschleißerscheinungen zu zeigen?

Seit dem Aufkommen von NAND Flash-Speichergeräten ist der Flash-Verschleiß ein Thema, dem große Aufmerksamkeit geschenkt wird. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, haben die meisten SSD-Hersteller SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) eingebaut, um die Nutzungsdauer der SSD im Vergleich zur erwarteten Lebensdauer des Laufwerks zu verfolgen. In der Regel wird dies als ein Attribut aufgezeichnet, das als „Prozentsatz der verbleibenden Lebensdauer“ oder manchmal auch als „Prozentsatz der genutzten Lebensdauer“ beschrieben wird. Bei der Überwachung dieses Attributs wird dem Benutzer empfohlen, den Austausch einer SSD in Erwägung zu ziehen, wenn der Zähler langsam auf 0 % verbleibende Lebensdauer zugeht. Aber was sagt dieser Zähler während der restlichen Nutzungsdauer der SSD aus?  Was bedeutet es, 90 % verbleibende Lebensdauer zu haben, oder 50 %?

Was verursacht den Flash-Verschleiß?

Um zu verstehen, warum wir überhaupt eine Verschleißanzeige haben, muss man wissen, was SSD-Verschleiß verursacht. Grundsätzlich wird der Verschleiß durch das Schreiben von Daten verursacht, z. B. durch das Speichern von Dateien. Jedes Mal, wenn eine NAND-Zelle beschrieben wird, verursacht dies eine winzige Menge an Verschleiß. Schließlich, nach vielen, vielen Schreibvorgängen, wird die Fähigkeit der NAND-Zelle, Daten für längere Zeit zu speichern, reduziert (am Ende der vorgesehenen Lebensdauer einer SSD können Benutzerdaten noch für etwa ein Jahr in einem stromlosen Zustand gespeichert werden).
Das ist leicht zu verstehen, aber das ist noch nicht das Ende der Geschichte. SSD-Verschleiß und Leistung sind abhängig von der Art der Arbeitslast, die als IO-Aktivität vom Host-Computer vorliegt, von der Menge der „statischen“ Daten, die auf dem Computer gespeichert sind (oder der Menge an freiem Speicherplatz), und davon, wie lange Daten gespeichert wurden. Wenn sich diese Variablen ändern, ändern sich auch die Leistung und die Geschwindigkeit des Verschleißes.

Dafür gibt es physikalische Gründe. NAND Flash-Speicher ist in sogenannten Seiten und Blöcken organisiert. Ein NAND Flash-Block kann Hunderte von Seiten enthalten, und eine Seite enthält in den meisten Konfigurationen 16 kB an Daten. Wenn ein NAND-Block Daten enthält, können neue Daten nicht einfach über die vorhandenen Daten geschrieben werden. Der Block muss zunächst einen Löschvorgang durchlaufen, bevor er für die Aufnahme neuer Daten bereit ist. Nun kann NAND Flash zwar seitenweise beschrieben werden, aber nur blockweise gelöscht werden. Aufgrund all dieser Komplikationen verwaltet die SSD-Firmware ständig die physischen Speicherorte der gespeicherten Daten und ordnet die Daten für die effizienteste Nutzung von Seiten und Blöcken neu an. Diese zusätzliche Verschiebung der gespeicherten Daten bedeutet, dass die Datenmenge, die physisch in den NAND Flash geschrieben wird, ein Vielfaches der Datenmenge ist, die vom Host-Computer an die SSD übergeben wird.

Schreibverstärkungsfaktor (Write Amplification Factor – WAF)

Ingenieure beschreiben das Verhältnis der Datenmenge, die in den NAND Flash geschrieben wird, im Vergleich zu der Datenmenge, die vom Host-Computer auf die SSD geschrieben wird, mit dem Begriff Schreibverstärkungsfaktor (WAF). Ein perfektes, ideales Speichersystem hätte einen WAF von genau 1,0. Im realen Leben von SSDs, die für Desktop-Betriebssysteme wie Windows und MacOS verwendet werden, wird der typische WAF im Bereich von 2 bis 4 liegen. Das bedeutet, dass die SSD zwei- bis viermal mehr Daten schreibt, als zu erwarten wäre, wenn die Daten nur vom Host-Computer geschrieben würden.

Das klingt nicht gut, aber SSD-Ingenieure berücksichtigen diese zusätzliche Schreiblast beim Design von SSDs und der SSD-Firmware. Der WAF in diesem Bereich ermöglicht dem Anwender weiterhin eine gute und lange Betriebszeit der SSD.

Was verursacht einen höheren WAF?

Auch bei den besten SSD-Designs kann der WAF manchmal höher sein als erwartet oder üblich. Auch hier ist dies sehr arbeitslastabhängig. Bei den meisten Desktop-Benutzern wird sich die Arbeitslast im Laufe der Zeit erheblich ändern. Manchmal ist die Arbeitslast schwer, manchmal ist sie eher leicht. Hier sind einige Umstände, die einen höheren WAF verursachen können:

  • Wenn ein Laufwerk voll oder fast voll ist, müssen die Hintergrundoperationen deutlich härter arbeiten, um sicherzustellen, dass immer freier Speicherplatz vorhanden ist, damit das Laufwerk neue Daten aufzunehmen kann. Wenn ein erhöhter Verschleiß zu befürchten ist, weil die tägliche Arbeitslast auch bei vollem Laufwerk hoch bleibt, kann es helfen, wenn möglich etwas ungenutzten Speicherplatz zu lassen.  Darüber hinaus erfährt eine größere SSD bei gleicher Arbeitslast proportional weniger Verschleiß. Ein 1000-GB-Laufwerk hält doppelt so lange wie ein 500-GB-Laufwerk, wenn die gleiche Arbeitslast und die gleichen Betriebsbedingungen gegeben sind.
  • Kleine Dateiübertragungen können einen höheren WAF verursachen. Das häufige Kopieren, Löschen und Manipulieren einer großen Anzahl kleiner Dateien, wie z. B. Bilddateien oder Textdokumente, kann einen erhöhten WAF-Wert verursachen. Das liegt daran, dass jede Datei nur ein kleiner Teil eines NAND-Blocks ist, sodass diese kleinen Datenstrukturen eher von der SSD-Firmware aggregiert und verschoben werden. Größere Dateien, wie z. B. Videodateien, müssen weniger oft verschoben werden, da sie ganze Blöcke füllen können.

Obwohl ein Großteil der Dinge, die den WAF beeinflussen, in den Betriebssystemen und Dateisystemen vergraben sind, gibt es einige Elemente, die sich aufgrund von Benutzereingaben ändern können.

  • SSDs mögen große, sequenzielle Arbeitslasten lieber als kleine, unregelmäßige Arbeitslasten. Im wirklichen Leben bedeutet dies, dass sie große Dateien gegenüber vielen kleinen Dateien bevorzugen, die häufig gelöscht oder geändert werden.
  • Wenn Sie etwas ungenutzten Speicherplatz übrig lassen, kann dies der SSD erheblich helfen, die gespeicherten Daten effizient zu verwalten. Wenn eine SSD regelmäßig zu 90 % oder mehr gefüllt ist, wäre es eine gute Idee, entweder einige unbenutzte Dateien zu löschen oder vielleicht den Einsatz einer größeren SSD in Betracht zu ziehen.
  • Normalerweise wird nicht empfohlen, SSDs der Verbraucherklasse in großen RAID-Arrays zu verwenden, aber wenn ein solcher Hardware-RAID-Einsatz gewünscht ist, werden große Übertragungsgrößen bevorzugt. Der genaue Aufbau liegt im Ermessen des Benutzers, aber eine gute Faustregel ist, eine Übertragungsgröße von 128 kB multipliziert mit der Anzahl der physischen Laufwerke im Array zu verwenden. Solche Berechnungen sind bei kleinen softwarebasierten RAID-Einsätzen in einem PC normalerweise nicht erforderlich.

Sicherstellen, dass TRIM effizient ausgeführt wird

Windows® 10 ist darauf ausgelegt, SSDs effizient zu betreiben, aber der Endbenutzer kann diesen Prozess zusätzlich unterstützen. TRIM ist eine wichtige Funktion, die es den Hintergrundoperationen der SSD ermöglicht, effizient zu arbeiten, und kann den oben besprochenen WAF minimieren. Windows führt TRIM in regelmäßigen Abständen aus, aber in einigen Bereitstellungen wird es möglicherweise nicht sehr häufig ausgeführt. Der Benutzer kann die häufige Ausführung von TRIM veranlassen, indem er die Funktion „Laufwerk optimieren“ in Windows wie folgt ausführt:

Klicken Sie zunächst bei geöffnetem Fenster für den Arbeitsplatz mit der rechten Maustaste auf das SSD-Laufwerk und wählen Sie Eigenschaften, wie unten gezeigt:

Wählen Sie bei geöffnetem Fenster für die Eigenschaften die Registerkarte Werkzeuge und klicken Sie dann auf Optimieren:

Das Menü Optimieren wird unten angezeigt.  Der Benutzer kann jederzeit auf Optimieren klicken, um die TRIM-Funktion auszuführen.  Außerdem gibt es in diesem Menü die Option Geplante Optimierung aktivieren, wodurch TRIM nach einem vom Benutzer festgelegten Zeitplan ausgeführt wird.

Schließlich kann der Benutzer im Zeitplanfenster das Kontrollkästchen Nach einem Zeitplan ausführen aktivieren und dann auf Wählen klicken, um die Ziel-SSD(s) auszuwählen.

Dies sollte dazu beitragen, die Leistung der SSD konstant zu halten und kann helfen, den Verschleiß des NAND Flash zu reduzieren.

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