Hard-Disk Drive (HDD) vs. Solid-State Drive (SSD): Was ist der Unterschied?

Festplatten oder Festplattenlaufwerke (HDD) sind eine Art Datenspeichergerät, das in Laptops und Desktop-Computern verwendet wird. Ein HDD ist ein „nichtflüchtiges“ Speicherlaufwerk, was bedeutet, dass die gespeicherten Daten auch dann gespeichert werden, wenn das Gerät nicht mit Strom versorgt wird. Betriebssysteme weisen die Festplatte an, Daten zu lesen und zu schreiben, wenn diese von Programmen benötigt werden. Die Geschwindigkeit, mit der das Laufwerk diese Daten liest und schreibt, hängt ausschließlich vom Laufwerk selbst ab.

HDDs waren zunächst riesige, raumfüllende Geräte mit einer Kapazität von etwa 3,75 Megabyte. Im Vergleich dazu kann eine HDD, die problemlos in einen Desktop-Computer passt, heute über einen Speicherplatz von mehr als 18 Terabyte verfügen.

Eine HDD enthält scheibenähnliche Objekte, die als „Platten“ bezeichnet werden. Auf Platten werden die Daten mithilfe einer elektrischen Ladung gespeichert. Diese elektrische Ladung stammt vom Aktuatorarm oder „Schreib-/Lesekopf“. Lese-/Schreibköpfe werden von der Software in der CPU und auf der Systemplatine angewiesen, wohin sie sich auf den Platten bewegen sollen.

Jede Platte verfügt über einen Arm mit Magnetköpfen, dreht sich und ist in Sektoren unterteilt. Diese Sektoren haben Tausende von Unterteilungen (sogenannte Bits), die alle eine elektrische Ladung aufnehmen können. Die Bits des Sektors und ihre entsprechenden Ladungen werden vom Lese-/Schreibkopf gelesen und können in Binärcode als 1en oder 0en übersetzt werden.

Im Laufe der Jahre der HDD-Entwicklung hat sich die Anordnung der Sektoren auf der Platte verändert. Das ursprüngliche Design von Festplatten umfasste eine Längsaufzeichnung, bei der die Sektoren horizontal zur rotierenden Platte des Laufwerks ausgerichtet waren. Diese horizontale Ausrichtung wurde zu einem Problem, als die Festplattenkapazität durch Verkleinerung der Sektoren erhöht wurde. Bei einer so geringen Größe würden die Bits ihre Ladung je nach Temperatur zufällig umkehren, was zu Datenkorruption führen würde.

„Senkrechte Aufzeichnung“ ist eine Methode, die entwickelt wurde, um Probleme zu bekämpfen, die bei Längsschnittaufnahmen auftreten. Bei diesem Verfahren werden die Sektoren an ihren Enden gestapelt, wodurch mehr als die dreifache Speicherkapazität gegenüber der Längsaufzeichnung erzielt wird. Der Nachteil ist jedoch die erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern, wodurch präzisere Lese-/Schreibarme entwickelt werden mussten.

Wenn eine CPU Daten auf die Festplatte schreibt, verwendet sie je nach Größe der Datei einen Teil eines Sektors oder mehrere Sektoren. Wenn eine Aktualisierung der Daten erfolgt, weist die CPU die Festplatte an, diese in den nächsten verfügbaren Sektor zu schreiben. Die Entfernung vom ersten Sektor zu diesem neuen Sektor verlängert die Zeit, die zum Lesen der Daten benötigt wird. Obwohl die Zeit in Millisekunden gemessen wird, kann eine größere Anzahl von Datentrennungen zu einer erheblichen Verlangsamung führen. Diese Datentrennung wird als „Festplattenfragmentierung“ bezeichnet, und die meisten Betriebssysteme verfügen über ein integriertes Programm, das die Festplatte defragmentiert und die Daten so neu anordnet, dass die Informationen für ein Programm an einem Ort gespeichert sind.

Herkömmliche Festplattenlaufwerke (HDDs) sind als eine Altlast bekannt, die schon länger existiert als SSDs. Das Alter bringt jedoch auch Vorteile mit sich, da es reichlich Gelegenheit bietet, in allen Bereichen der Technologie Fortschritte zu erzielen.

Der Zweck einer Festplatte ist das Lesen, Schreiben und Speichern von Daten. Sie sind zuverlässige Geräte sowohl für Backups als auch für normale Computerprozesse. Die HDD-Technologie wurde erheblich weiterentwickelt, wodurch ihre Kosten gesenkt und ihre Gesamtkapazität erhöht werden konnten.

Die Kapazität von Festplatten ist im Laufe der Jahre gewachsen und mittlerweile werden kommerziell Festplatten mit einer Speicherkapazität von 20 Terabyte angeboten. Viele der heutigen Laptops und Desktop-PCs sind standardmäßig mit 250 GB Speicherplatz ausgestattet.

Die Leistung wird in der Regel anhand der Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit des Geräts gemessen. Die Geschwindigkeit, mit der Festplatten Daten verarbeiten, hat sich im Laufe der Jahre erheblich erhöht und entspricht nun gut ihrem Zweck.

Die physischen Komponenten von HDDs sind jedoch stärker eingeschränkt als andere Speichergeräte. Ein präziser Arm verliert an Genauigkeit, wenn sich die Platte zu schnell dreht, und eine Platte kann sich nur bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit drehen, bevor sie sich verzieht oder sogar bricht. Die Beschleunigung der Platte, um die optimale Geschwindigkeit zu erreichen, nimmt Zeit in Anspruch und führt zu einer längeren Startzeit.

HDDs sind zuverlässig bei der Speicherung von Daten über lange Zeiträume ohne Stromversorgung und sind eine bevorzugte Speichermethode für Backups. Die Lebensdauer einer internen Festplatte bei ständigem Gebrauch beträgt drei bis fünf Jahre. Die Lebensdauer kann länger sein, wenn es sich bei dem Gerät um eine externe Festplatte handelt, die in einem kontrollierten Raum aufbewahrt wird. Regelmäßiger Verschleiß des Geräts ist normal, insbesondere aufgrund des Schreibens und Überschreibens von Daten über dieselben Sektoren einer Platte. Die Langzeitspeicherung für mehrere Laufwerke kann so einfach sein wie die Verwendung einer externen Festplatte. Eine weitere Möglichkeit, von überall auf diese Sicherungsdateien zuzugreifen, ist die Verwendung eines NAS-Systems (Network-Attached Storage). Ein NAS ist ein zentraler Speicherort, der autorisierten Netzwerkbenutzern das Speichern und Abrufen von Daten ermöglicht.

Externe tragbare Festplatten erfüllen dieselben Grundfunktionen wie interne HDDs und können mit Laptops oder Desktop-Computern verwendet werden. Externe Laufwerke werden mit eigenen externen Netzteilen verkauft. Interne Computer-HDDs sind „portabel“ – das bedeutet, dass sie leicht von einem Gerät zu einem anderen übertragen werden können. Allerdings sind sie weniger kompatibel mit allen Geräten und erfordern mehr Aufwand für die Übertragung.

HDDs sind der günstigste Speichertyp, weil sie die effizientesten Kosten pro Gigabyte haben. Mit zunehmender Speicherkapazität sinken die Preise für kleinere HDDs. Beispielsweise werden HDDs mit einer Kapazität von 500 Gigabyte für weniger als 40 USD verkauft.

Als Kernkomponente von Computern ermöglichen Solid-State Drives (SSDs) schnelle Lese-, Schreib- und Startzeiten auf modernen Geräten, die von herkömmlichen Festplatten nicht erreicht werden.

Ein Solid-State Drive ist eine Computerhardware mit nichtflüchtigem Speicher (NVM), die Daten ohne bewegliche Teile speichert. Während Festplattenlaufwerke (HDDs) eine sich rotierende Magnetplatte und einen mechanischen Schreibkopf verwenden, um Daten zu bearbeiten, verwenden SSDs Ladung in Halbleitern.

Interne SSDs werden in Computern installiert, während externe SSDs wie externe Festplatten angeschlossen werden – häufig an USB 3.0-Anschlüsse – und ähnlichen Zwecken dienen. Eine SSD ist ein Speichergerät, das anstelle von mechanischen Komponenten integrierte Schaltkreise für die Speicherung verwendet. Die integrierten Schaltkreise reduzieren die Gesamtgröße und sorgen für einen geräuschlosen Betrieb. Ein Apple-Produkt wie beispielsweise ein MacBook verfügt über eine SSD als Festplatte, wodurch der Mac ein schlankes Profil erhält.

Non-Volatile Memory Express (NVMe) ist ein Protokoll für logische Geräteschnittstellen, das den Zugriff auf nichtflüchtige Speichermedien eines Computers ermöglicht. NVMe ist eine Standardspezifikation, die bei SSD Drives verwendet wird, damit nicht jeder Hersteller einen eigenen Gerätetreiber benötigt. NVMe-SSDs verwenden Peripheral Component Interconnect Express (PCIe oder PCI Express), das die zahlreichen Hin- und Her-Anfragen vom Betriebssystem an die SSD verarbeiten kann. PCIe ist eine gängige Hochgeschwindigkeitsverbindungsschnittstelle auf der Systemplatine.

Solid-State Drives nutzen elektronische Schaltkreise zum Speichern und Abrufen von Daten. Daten werden in „Blöcken“ gespeichert, und diese Blöcke können nur einmal vollständig geschrieben werden. Um sequenzielle Daten zusammenzuhalten und die Antwortzeiten kurz zu halten, muss der Block vollständig gelöscht und in einem anderen Block neu geschrieben werden. Leider sind die Blöcke nicht dauerhaft und werden beim Löschen beschädigt. Das Schreiben/Löschen ist die Ursache für den Verschleiß einer SSD. Aus diesem Grund verfügen die meisten SSDs über eine integrierte „Wear-Leveling“-Technologie, die den Verschleiß gleichmäßig verteilt und die Lebensdauer des Geräts verlängert.

Einige der elektronischen Schaltkreise in einer SSD sind NAND-Flash-Speicher („Not AND“-Logikgatter), die aus nichtflüchtigen NAND-Transistoren bestehen. Nichtflüchtige NAND-Transistoren speichern Daten als Ladung in Halbleitern auf Silizium-Speicherchips, die auf Leiterplatten angeordnet und manchmal gestapelt sind. Die Stacks werden als 3D-NAND bezeichnet und verfügen über weitaus größere Speicherkapazitäten, da die Speicherzellen in Stacks übereinander gestapelt sind. Single-Level-Cells (SLC) sind die teuerste, aber auch langlebigste Variante der SSD-Technologie. Dementsprechend senkt das Hinzufügen eines zusätzlichen Bits Speicherplatz pro Zelle die Kosten, und jedes zusätzlich gespeicherte Bit wird unterschiedlich gekennzeichnet. Schließlich beginnen wir mit Multi-Level-Zellen (MLC), Triple-Level-Zellen (TLC) und Quad-Level-Zellen (QLC).

Controller verwalten alle Flash-Speicherzellen, indem sie ihnen mitteilen, auf welchen Speicher sie zugreifen oder welchen sie bearbeiten sollen. Außerdem sind sie für die gleichmäßige Datenverteilung und die Garbage Collection verantwortlich.

Eine gängige, vom Formfaktor abhängige Vorgehensweise bei SSDs besteht darin, angeforderte Daten mit schnelleren Reaktionszeiten zwischenzuspeichern, ähnlich wie bei RAM-Modulen. Die schnellere Reaktionszeit ist im Vergleich zum Zwischenspeichern häufig angeforderter Daten von Festplatten, die ansonsten langsame Reaktionszeiten hätten, vorteilhafter.

SSDs haben einen geringeren Stromverbrauch als HDDs, da sie keine beweglichen Komponenten haben. SSDs sind ebenfalls auf die konstante Stromversorgung durch das Betriebsgerät angewiesen, um zu funktionieren. Während SSDs ohne Stromversorgung Daten verlieren, wenn sie nicht mit Strom versorgt werden, verfügen die meisten SSDs über eine integrierte Batterie, die es dem Gerät ermöglicht, im Leerlauf zu bleiben und die Datenintegrität aufrechtzuerhalten.

Jede Art der Speicherung hat Vor- und Nachteile. Daher ist ein Vergleich zwischen Hard-Disk Drives (HDDs) und Solid-State Drives (SSDs) erforderlich, um die beste Lösung für eine bestimmte Workload zu ermitteln.

Ein wesentlicher Unterschied in Bezug auf den Speicherplatz besteht darin, dass SSDs Flash-Speicher anstelle von magnetischen Platten verwenden. Neuere SSDs haben gängige Kapazitäten wie 128 GB, 256 GB, 512 GB, 1 TB und 2 TB. Die integrierten Schaltkreise, die Größe des Geräts reduzieren, erhöhen auch die Speicherdichte.

Für den Durchschnittsverbraucher liegt die größte SSD bei etwa 8 Terabyte. Im Jahr 2018 brachten Samsung und Toshiba 30,72-TB-SSDs auf den Markt, die denselben 2,5-Zoll-Formfaktor, aber eine 3,5-Zoll-Laufwerksdicke mit einer SAS-Schnittstelle aufweisen. Um die Leistungsfähigkeit von SSDs zu demonstrieren, hat Nimbus Data hochkapazitive 100-TB-Laufwerke mit SATA-Schnittstelle angekündigt und ausgeliefert. Die SSD-Technologie wird ständig erweitert und verfeinert, wodurch sich scheinbar unendliche Möglichkeiten ergeben.

HDDs gibt es schon länger, wodurch ihre Kapazität im Laufe der Jahre erheblich gesteigert werden konnte und sie nun mit einer Speicherkapazität von 20 Terabyte im Handel erhältlich sind. Viele der heutigen Laptops und Desktop-PCs sind standardmäßig mit 250 GB Speicherplatz ausgestattet.

Die Geschwindigkeit, mit der eine SSD auf Daten zugreift, ist höher als die einer HDD. Während eine HDD 500 MB/s verarbeiten kann, schaffen die meisten SSDs 7000 MB/s. Diese höheren Geschwindigkeiten ermöglichen einen sofortigen Start und weniger Latenz beim Anmelden an einem Gerät oder beim Laden von Apps. Auch das Übertragen und Kopieren von Dateien ist auf einer SSD schneller. Aufgrund ihrer Akkulaufzeit liegt der Stromverbrauch um etwa ein Viertel bis ein Drittel unter dem einer Festplatte.

HDDs sind ein besseres Langzeitspeichermedium. SDDs sind für die Langzeitspeicherung tendenziell weniger zuverlässig, da es nach einem Jahr ohne Stromversorgung zu Datenverlusten kommen kann. Außerdem nimmt ihre Leistungsfähigkeit mit zunehmender Annäherung an die maximale Schreibkapazität (Maximum Terabytes Written, TBW) stetig ab, bis sie schließlich unbrauchbar werden. Die TBW einer SSD ist die Gesamtmenge an Daten, die auf dem Gerät gespeichert und gelöscht werden kann.

Ähnlichkeiten zwischen SSDs und HDDs ergeben sich, wenn es um die Portabilität geht. Eine externe Version einer SSD ist tragbarer als ihr stationäres internes Gegenstück. SSDs sind besonders nützlich in Rechenzentren, wo große Datenmengen schnell von System zu System übertragen werden müssen. Eine externe Festplatte ist mobiler als ihr internes Pendant, wird jedoch eher für die Langzeitspeicherung als für die schnelle Datenübertragung verwendet.

Für Laufwerke mit geringerer Kapazität und häufig verwendeten Daten bieten SSDs das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Je größer die Kapazität, desto vorteilhafter werden HDDs. Die Preise für SSDs sind auf dem besten Weg, eines Tages genauso kostengünstig pro Gigabyte zu sein wie jede HDD. Eine 500-Gigabyte-SSD kostet derzeit etwa 55 USD, während eine 500-Gigabyte-HDD etwa 24 USD kostet (zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels).

SSDs werden aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs und ihrer geringen Größe in erster Linie für den schnellen Datenabruf und den Dauereinsatz in Laptops oder Desktop-Computern verwendet. Sie werden für alltägliche Prozesse verwendet und sollten nicht für längere Speicher wie HDDs verwendet werden. SSDs sind das bevorzugte Gerät, wenn es darum geht, große Dateien schnell und einfach zu verschieben.