TLC vs. QLC SSDs: Vergleich von Solid-State-Laufwerken

In der Welt der Datenspeicherlösungen sind Solid-State-Drives (SSDs), die aus 3D-NAND-Flash-Speicher hergestellt wurden, geradezu ein Wendepunkt. Während die erste Welle von SSDs für die Speicherung in großem Maßstab unerschwinglich war, sind moderne SSDs im Vergleich zu herkömmlichen Festplattenlaufwerken (HDDs) schneller, langlebiger und zuverlässiger.

Das Herzstück aller SSDs sind die Flash-Speicherzellen. Moderne SSDs nutzen die 3D-NAND-Flash-Technologie, um mehrere Schichten von Speicherzellen vertikal zu stapeln.

Im Vergleich zu älteren 2D-NAND-Speichern, bei denen die Speicherzellen in einer flachen Matrix angeordnet sind, verbessert die vertikale Stapelung von Flash-Zellen die Datenspeicherdichte, die Kapazität und die Gesamtkosten pro Datenbit. Einfach ausgedrückt: 3D NAND kann mehr Datenbits besser speichern.

SSDs können jetzt Terabytes an Daten mit verbesserten Schreibgeschwindigkeiten, Ausdauer und Leistung speichern und sind die bevorzugte Lösung für größere Speicheranwendungen, von High-End-Videobearbeitungsanlagen bis hin zu professionellen Rechenzentren.

Aber nicht alle SDDs sind gleich. SSDs, die nur 2D-NAND-Flash verwenden, werden nach ihrer NAND-Flash-Speicherdichte als SLC-Laufwerk (Single-Level-Cell) bezeichnet. Spätere Innovationen führten 3D-NAND ein, das MLC- (Multilevel-Zellen), TLC- (Triple-Level-Cell) und QLC-Laufwerke (Quad-Level-Cell) ermöglicht, die je nach Situation eine bessere Leistung bei zunehmend niedrigeren Kosten pro Bit bieten. 

Obwohl sowohl QLC- als auch TLC-Laufwerke langsamer sind als ihre Gegenstücke mit geringerer Zelldichte, bieten Hersteller wie Intel und Samsung eine optimierte Leistung durch Techniken wie DRAM- oder SLC-Caching.

Im Grunde genommen sind Solid-State Drives (SSDs) eine Art von Speicher, die Flash-Speicher zur Speicherung von Daten verwendet. SSDs verwenden in der Regel einen Flash-Typ namens NAND-Flash, der Daten mithilfe einer Anordnung von Floating-Gate-Transistoren speichert, die ähnlich wie NOT-AND-Logikgatter funktionieren. Diese Kombination ist der Ursprung des Namens NAND-Flash.

Jede NAND-Zelle enthält sowohl ein Steuerlogikgatter als auch ein schwebendes Logikgatter, die durch eine dünne Oxidschicht getrennt sind. Durch einen Prozess, der als Fowler-Nordheim-Tunneling bekannt ist, kann Flash-Speicher Binärdaten unter Verwendung einer elektrischen Ladung speichern. Die Ladung wird mit einer Spannung gesendet, die Elektronen im Floating-Gate einfängt (was einem Binärwert von 1 entspricht) oder es entfernt (was einem Binärwert von 0 entspricht).

NOR-Flash sind Flash-Zellen, die eine Zellstruktur verwenden, die der Logikgatter NEITHER OR ähnelt, und sie werden in der Regel für kleine Dateien wie Boot-Daten verwendet.

NAND-Flash ist vor allem aufgrund der folgenden Eigenschaften für die allgemeine Speicher zu bevorzugen:

• Nicht flüchtig: NAND-Flash kann Daten ohne ständige Stromquelle genau und zuverlässig speichern. 

• Blockbasiert: NAND-Flash verwendet große Informationsblöcke, um Daten zu lesen und zu schreiben. Die Verwendung von Blöcken bietet im Vergleich zu einem byteweisen Ansatz eine bessere Leistung. 

• Effizient in großem Maßstab: Die blockbasierte Struktur von NAND-Flash eignet sich besonders gut für sequenzielle Rechenaufgaben und bietet einen Vorteil hinsichtlich der Effizienz und Datenkapazität im Vergleich zu NOR-Flash oder anderen Speichertypen. 

• Langlebig: NAND-Flash ist wesentlich langlebiger als physische Speichergeräte wie Disketten oder Festplatten, die bewegliche Teile enthalten, die kaputtgehen können.

Die ersten SSDs wurden für die Kompatibilität mit der SATA-Speicherschnittstelle (Serial ATA) entwickelt, einer älteren Schnittstelle, die aus der früheren HDD-Technologie übernommen wurde. Die meisten modernen SDDs verwenden jedoch das neuere Non-Volatile Memory Express (NVMe)-Protokoll, um die Vorteile der Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle Peripheral Component Interconnect (PCI) oder PCI Express (PCIe) zu nutzen und eine noch bessere Leistung zu erzielen.

NVMe-SSDs sind etwa 20 Mal schneller als SATA-SSDs und erreichen Datenübertragungsraten von 3.500 MB bis zu 14.000 MB pro Sekunde. Neben einem höheren Durchsatz können NVMe-Laufwerke Tausende von Befehlswarteschlangen gleichzeitig ausführen und übertreffen SATA-Laufwerke in Latenztests durchweg.

Aus diesen Gründen haben sich NVMe-SSDs schnell zum Industriestandard für Unterhaltungselektronik und leistungsstarke professionelle Anwendungen entwickelt.

Letztendlich kann die Bewertung des Wertes von TLC-Laufwerken gegenüber QLC-Laufwerken auf einen Vergleich zwischen Leistung und Haltbarkeit oder Speicherkapazität und Kosteneffizienz hinauslaufen.

Im Allgemeinen sind TLC-SSDs in Situationen zu bevorzugen, in denen konsistente Leistung, Zuverlässigkeit und robuste Haltbarkeit entscheidend sind. Auf TLC-SSDs kann man sich darauf verlassen, dass sie immer wieder zuverlässig Daten schreiben und abrufen. Sie werden häufig für professionelle Workloads und die Erstellung von Inhalten gewählt. 

Umgekehrt werden QLC-SSDs für die Speicherung von Daten mit hoher Kapazität und zu niedrigen Kosten sowie für Data Warehousing mit hohem Lesevolumen bevorzugt. Diese Arten von SSDs sind für die Speicherung langfristiger Daten geeignet, auf die häufig zugegriffen werden kann. Was die Ausdauer betrifft, so werden SSDs mit TBW (Terabytes Written) bewertet, um die Datenmenge anzugeben, die auf ein Laufwerk geschrieben werden kann, bevor es abgenutzt wird. Die Bewertung zeigt an, wann eine Verschlechterung der physischen Hardware beginnt, sich negativ auf Leistung und Betrieb auszuwirken. 

Was die Ausdauer betrifft, so werden SSDs mit TBW (Terabytes Written) bewertet, um die Datenmenge anzugeben, die auf ein Laufwerk geschrieben werden kann, bevor es abgenutzt wird. Die Bewertung zeigt an, wann eine Verschlechterung der physischen Hardware beginnt, sich negativ auf Leistung und Betrieb auszuwirken. QLC-Laufwerke haben im Vergleich zu TLC-Laufwerken in der Regel eine niedrigere TWB-Bewertung, da sie aufgrund der größeren Datenmenge auf jeder Zelle stärker beansprucht werden.

Allerdings haben TLC-Laufwerke derzeit einen Vorteil gegenüber QLC-Laufwerken, was die Haltbarkeit angeht. Um etwaigen Nachteilen im Zusammenhang mit der geringeren Ausdauer von QLC-Laufwerken entgegenzuwirken, schließen Verbesserungen bei den Fehlerkorrekturalgorithmen die Lücke zwischen diesen beiden Arten von NAND-Flash-Laufwerken.

Auf einen Blick lassen sich die Unterschiede zwischen QLC-Laufwerken und TLC-Laufwerken anhand von Architektur, Lebensdauer, Leistung und Anwendungsfällen zusammenfassen.

• Speicherarchitektur: Verwendet einen TLC NAND-Flash-Speicher, der 3 Bits Daten pro Speicherzelle speichert.

• Leistung: TLC ist zwar teurer als QLC, bietet aber ein gutes Gleichgewicht zwischen Kapazität, Preis und Schreib- und Lesegeschwindigkeit. Sie sind im Allgemeinen langlebiger und vielseitiger und für häufige Lese- und Schreibvorgänge sowie schreibintensive Aufgaben optimiert.

• Anwendungsfälle: Zu den Anwendungsfällen gehören anspruchsvolle Aufgaben wie Spiele, 3D-Rendering und andere Arten der Inhaltserstellung. 

• Lebensdauer: TLC-Laufwerke haben in der Regel eine Lebensdauer von etwa 1.000 bis 3.000 Schreibzyklen.

• Speicherarchitektur: Verwendet QLC NAND-Flash-Speicher, der 4 Bit Daten pro Speicherzelle speichert.

• Leistung: Bietet größere Speicherkapazität zu niedrigeren Preisen. Eine höhere Kapazität geht mit einigen Abstrichen bei der Leistung und der Langlebigkeit der Lebensdauer einher. QLC-Laufwerke bieten in der Regel eine bessere Gesamtleseleistung als Schreibleistung. Sie eignen sich gut für die Archivierung von Daten, auf die möglicherweise Bezug genommen werden muss, die aber nicht häufig bearbeitet oder gelöscht und neu geschrieben werden müssen.

• Anwendungsfälle: Ideal für leichtere Aufgaben, die mehr Lese- als Schreibvorgänge erfordern, wie z.B. die langfristige Speicherung großer Dateien oder Backups. Ideal für Aufgaben, die von preiswerterem Speicher mit höherer Kapazität profitieren, der eine geringere Geschwindigkeit vertragen kann, wie z. B. die Speicherung von Medien, leichte tägliche Speicherung oder Computer-Backups. 

• Lebensdauer: QLC-Laufwerke haben im Vergleich zu TLC-Laufwerken in der Regel eine geringere Lebensdauer von etwa 1.000 Schreibzyklen, da die erhöhte Datenkapazität die Speicherzellen schneller abnutzt.