SSDs und HDDs im Vergleich

SSD oder HDD?

In den letzten 1.5 Jahren hat der SSD Markt gewaltige Schritte gemacht. Neben dauernd fallenden Preisen, steigt auch die Leistung mit jeder Generation. Die Kinderkrankheiten werden langsam auskuriert und dadurch empfehlen sich SSDs bereits als Alternative zu aktuellen HDDs in Notebooks. Wie drei aktuell leistbare und schnelle Consumer SSDs (Vertex, Torqx und X25-M) im Vergleich mit vier 2.5“ HDDs und einer externen SSD für Notebooks abschneiden, erfahren Sie in folgendem Testbericht.

Die Abkürzung SSD steht für Solid State Disk und bezeichnet ein Laufwerk, welches aus nichtflüchtigen Speicherchips aufgebaut wird (und nicht wie bei HDDs aus Magnetscheiben). Es gibt zwei Arten von Speicherchips, welche in aktuellen SSDs eingesetzt werden. SLC (Single-Level Cell) NAND Speicher und MLC (Multi-Level Cell) NAND Speicher. SLC Chips speichern pro Transistor nur 1 Bit (0 oder 1) und können dadurch schneller ausgelesen und beschrieben werden. MLC speichern 2 Bit (00, 01, 10 oder 11) pro Transistor. Dadurch passen zwar doppelt so viele Daten auf die Chips, jedoch sinkt die durchschnittliche Lese- (2x) und Schreibgeschwindigkeit (3x) pro NAND Zelle. Jedoch kann in einer Operation das doppelte ausgelesen / geschrieben werden. Außerdem leidet die Haltbarkeit der  SSD darunter (10.000 Schreib-/Löschzyklen bei MLC und 100.000 Schreib-/Löschzyklen bei SLC). Wir widmen uns hier nur SSD Laufwerken mit MLC Chips, da SLC SSDs aufgrund hoher Preise noch nicht massentauglich sind.

Die einzelnen Speicherzellen sind nun organisiert in Pages = 4KB. Dies ist die kleinste Einheit, die geschrieben und gelesen werden kann. 128 Pages (512 KB) sind dann nochmals organisiert in Blocks. Und hier liegt auch das größte Performance-Problem von SSDs. Es können nämlich nur ganze Blöcke gelöscht werden. Wenn man nun einen einzelnen 4KB Bereich überschreiben will, muss der Controller 512 KB auslesen (1 Block) die Daten im Speicher verändern und dann den Block löschen und die veränderten Daten zurückschreiben. Dadurch wird eine 4KB Schreibaktion zur langsamen Kette von Befehlen.

Überschreiben sollte ja eigentlich nicht oft vorkommen – leider falsch. Da HDDs Daten nur schreiben können, gibt es bei ihnen kein Löschen. Dadurch reichen die Betriebssysteme den Löschbefehl für Daten gar nicht weiter zum Laufwerk. Je länger man das Laufwerk also schon benutzt hat, desto mehr Schreibzugriffe müssen Daten überschreiben. Für SSDs ganz schlecht.

Um dies zu verhindern gibt es verschiedene Strategien. Einerseits kann sich der SSD Controller mittels verschiedenster Strategien um das Problem kümmern. Zum Beispiel beschreibt er zuerst leere Zellen und optimiert im Hintergrund die Speicherstruktur. Ein weiterer Ansatz wäre, wenn das Betriebssystem den Löschbefehl weiterreichen würde. Hierzu wurde der TRIM Befehl eingeführt. Dadurch wird zwar das Löschen von Daten deutlich langsamer, jedoch sollte die Schreibrate (die in der Anwendung deutlich öfter stattfindet) nicht mehr einbrechen. Leider wird der TRIM Befehl noch nicht von allen SSDs und Betriebssystemen (derzeit nur neuere Linux Kernel und das kommende Windows 7) unterstützt.

Ein weiteres Problem bei SSDs ist die limitierte Anzahl von 10.000 Schreib-/Löschzyklen bei MLCs. Auch hierum muss sich der verwendete Controller kümmern, damit es nicht zu Datenverlust führt. Um die Abnutzung der Zellen gleichmäßig zu verteilen und gegebenenfalls einzelne auszuschließen, bieten alle SSDs noch zusätzlichen (nicht benutzbaren) Speicherplatz (die X25-M soll z.b. 7-8% zusätzlichen freien Speicher haben).

Da die einzelnen NAND ICs (die einzelnen Speicherchips auf der SSD) nicht sonderlich schnell sind (5-40 MB/Sekunde), schreibt und liest der Controller parallel von verschiedenen Chips. Aktuelle SSDs haben zwischen 4 bis 10 Kanäle und können so auf die theoretischen Geschwindigkeiten kommen, die in den Datenblättern stehen.

Ein Vorteil der SSDs gegenüber der HDDs ist die positions-unabhängige Schreib- und Lesegeschwindigkeit. HDDs haben durch die Scheibenstruktur den Nachteil das die Daten innen viel langsamer gelesen und geschrieben werden können als außen auf der Platte.

Detailliertere Informationen über den genauen Aufbau und das Löschproblem bei SSDs finden Sie in dem detaillierten Artikel über SSDs bei Anandtech (in Englisch).

Als Testsysteme für unseren umfangreichen Tests verwendeten wir drei verschiedene Notebooks. Im Acer Aspire 8935G führten wir die meisten synthetischen Benchmarks durch. Durch den Einsatz der aktuellen Intel Generation (Intel GM45 mit ICH9M) und dank eines zweiten freien 2.5“ HDD Schachts war ein ungestörtes Messen möglich.

Für die Mac OS X und Vista Installations- und Boottests haben wir ein Apple MacBook Aluminium mit 2.0 GHz Core 2 Duo und Nvidia 9400M Chipsatz genommen (vom Herbst 2008).

Für die Upgrade Tests musste unser altes 2.2 GHz MacBook Pro (Mid 2007) herhalten. Es besitzt noch einen Intel Chipsatz mit ICH8M Southbridge.

Um die max. Leistung der SSD Laufwerke festhalten zu können, haben wir die Laufwerke vor den Durchläufen mit HDD Erase (Intel) und den eigenen Tools von Patriot und OCZ zurückgesetzt.

Der HDTune File Benchmark schreibt Dateien verschiedener Größe (und Blockgrößen) auf die Festplatte. Wir haben die maximale Lese- und Schreibrate in unten stehendem Diagramm festgehalten. Bei diesem Benchmark sehen wir auch die oft beworbene maximale Lese- und Schreibraten der Laufwerke. Die Patriot Memory Torqx zeigt hier im Schnitt die besten Ergebnisse. Die Intel Consumer SSD wird anscheinend vom Controller beim Schreiben auf 75 MB/Sekunde beschnitten, wodurch Sie beim Schreiben einen der hinteren Plätze einnimmt. Beim Lesen jedoch zeigt die Intel SSD allen anderen die Rücklichter. Interessant ist die Performance der per eSATA angebundenen OCZ Throttle. Sie kann beim Lesen gut mit den maximalen Datenraten der Festplatten mithalten. Nur beim Schreiben fällt sie deutlich zurück.

Auch der Maxima beim ATTO Benchmark geben die maximalen Lese- und Schreibraten der getesteten Platten wieder. Das Bild ist sehr ähnlich zum File Benchmark von HDTune. Neu in diesem Diagramm ist ein RAID 0 Verbund aus drei Seagate ST9500420A Festplatten (500 GB, 7200 U/Min.) mit Desktop X58 ICH10R Chipsatz (im mySN QXG7 von Schenker). Dieser Verbund kann sich bei den sequentiellen Schreib- und Leseraten auf Niveau der SSDs begeben. Die Zugriffszeiten bleiben jedoch klarerweise deutlich höher. Bei den Festplatten ist wieder die Seagate die Siegerin, knapp vor der Toshiba. Die zwei 500 GB / 5400 U/Min. HDDs bleiben deutlich zurück.

Auch im sequentiellen Schreibbenchmark von HDTune sieht man gut die Beschränkung der X25-M auf 75 MB/s. Die SSD Laufwerke zeigten nahezu lineare Schreibraten rund um den Durchschnitt (mit einzelnen Ausreißern nach unten, die das Minimum festlegen, wie bei der Intel SSD). Die Festplatten werden jedoch über die Platte langsamer wegen dem unterschiedlichen Ringdurchmesser je nach Position. Das Schlusslicht ist erwartungsgemäß der eSATA Stick von OCZ.

Im sequentiellen Lesebenchmark von HDTune sind die internen SSDs die klaren Gewinner. Mit etwa 165 MB / Sekunde liegen alle drei praktisch gleich auf. Bei den Zugriffszeiten zeigen sie dann ihre wahre Stärke. Mit nur 0,2 ms Zugriffszeit gegenüber den 15-19 ms der Festplatten bieten sie einen signifikanten Vorteil. Bei den Festplatten sieht man gut die Steigerung von 5400 Umdrehungen/Minute  HDDs, der Samsung und der 500 GB Toshiba Platte zu den 7200 U/Min  Modellen, der 320 GB Toshiba und Seagate HDD. Die Throttle von OCZ kann hier gut mit den Festplatten mithalten, bei deutlich besseren Zugriffszeiten (auf Niveau der internen SSDs). Dieses Bild bestätigt auch der HDTach Benchmark, welcher sehr ähnliche Ergebnisse aufweist.

Der h2benchw Benchmark zeigt bei der Zonenmessung nochmals gut die sequentielle Schreib- und Leseperformance der einzelnen Speichermedien. Die Schreibschwäche der Throttle und Intel X25-M, ansteigende Ergebnisse der HDDs (vom langsamen Minimalwert über den Mittelwert bis zum Maximalwert) und die Unterschiede zwischen 5400 U/ Min und 7200 U/Min Platten sind im "Stacked Bar" Diagramm gut ersichtlich.

Wenn man sich die Zugriffszeiten der HDDs und SSDs mittels h2benchw im Detail ansieht, gewinnen auch hier klar die SSDs. Gut sichtbar ist auch die konstante Zugriffszeit über die gesamte Kapazität bei den SSDs. Die HDDs brauchen bei den Zugriffen auf die gesamte HDD im Schnitt deutlich länger als auf die ersten 504MB. Wieder ein Phänomen der Magnetscheiben und der Spurposition.

Die Ergebnisse der Messung der Anwendungsprofile mittels h2benchw müssen laut Autor des Tools mit etwas Vorsicht betrachtet werden. „Diese Messung ist inzwischen nicht mehr aussagekräftig, da sich einerseits das Zugriffsverhalten von Betriebssystem und Anwendungen geändert hat und andererseits einige Annahmen, auf denen die Profile basieren, heute nicht mehr gelten. So liefern einige Teilprofile mit aktuellen Festplatten unrealistisch überhöhte Messergebnisse.“ Dadurch lässt sich auch das stark überhöhte Ergebnis der Seagate ST9320421AS beim Virus Profil „F-Prot“ erklären. Die restlichen Ergebnisse passen zu den Eindrücken aus den anderen Tests. Die internen SSDs gewinnen mit Abstand gegen die Festplatten. Die Throttle, ist trotz guter Leseraten, deutlich schwächer als alle HDDs.

Zum Abschluss der Tests mit dem Acer Aspire 8935G führten wir noch verschiedenste Messungen mit dem Benchmark Iometer durch. Neben vier theoretischen Messungen (2MB und 4K sequentielle und zufällige Lese- und Schreiboperationen) liefen noch die zwei Anwendungsprofile IOMix und Workstation. Beide sollen die typischen Schreib- und Leseszenarien im Alltag simulieren.

Bei den Anwendungsprofilen hat die Intel SSD eindeutig die Nase vorne. Trotz der Schreibratenbegrenzung, welche man z.B. im Diagramm der 2 MB Schreibzugriffe gut sieht, spielt der Intel Controller bei Anwendungen seine Stärken aus. Dies kann auch an der praxisrelevanten Stärke bei den zufälligen 4 KB Schreibzugriffen liegen.

Bei den theoretischen Messungen punkten die beiden SSDs mit Indilix Controller. Besonders die Torqx kann sich hier noch etwas abheben.

Die Festplatten bleiben bei praktisch allen Benchmarks deutlich zurück. Besonders bei den Anwendungsprofilen ist der Abstand gewaltig.

Als praktischen Test haben wir auf einem 2.0 GHz MacBook Aluminium aus 2008 mit 9400M Chipsatz die SSDs bzw. HDDs als primäre Platte eingebaut und Mac Os X installiert. Im Vergleich gewann hier die OCZ Vertex mit einer Installationszeit von knapp 21 Minuten. Am langsamsten war erwartungsgemäß die 500 GB 5400 U/Min Samsung MH500Li mit 50 Minuten.

Bei den Boot Zeiten – der Zeit vom Einschalten bis zum Mac Os X Desktop können sich die SSDs klar von den HDDs absetzen. Man sieht im Diagramm gut die 3 Klassen

1. SSDs mit 23-25 Sekunden Bootdauer
2. 320 GB Toshiba MK3254GS mit 7200 U/min mit etwa 31-35 Sekunden und die langsame
3. 500 GB Samsung mit 5400 U/min mit 39-47 Sekunden.

Mit dem frisch installierten System haben wir dann XBench 1.3 einige Male durchlaufen lassen. Leider streuen die Ergebnisse bei XBench teilweise sehr stark zwischen den Durchgängen, wodurch der Gesamtscore nicht unbedingt als wegweisend anzusehen ist. Bei den einzelnen HDD Tests sieht man jedoch gut die Ausrichtung der einzelnen SSD Firmwares auf verschiedene Schreibstrategien. Zum Beispiel ist die Intel X-25M sehr stark in den 4K Random Writes, welche gerade im täglichen Gebrauch sehr oft vorkommen sollen. Die OCZ Firmware des Indilinx Controllers zeigt ihre Stärken beim sequentiellen Schreiben (und dadurch auch beim zufälligen Schreiben größerer Blöcke). Hier limitiert bei Intel die Beschränkung auf 75MB/S. Die Torqx reiht sich meist in der Nähe der OCZ Vertex ein. Man merkt den Einsatz des selben Indilinx Controllers wie bei der Vertex. Die Samsung HDD liegt bei allen Einzeltests abgeschlagen am letzten Platz. Nur beim Gesamtscore kann sie gut mithalten.

Bei der Installation von Windows Vista Business auf einem 2.0 GHz MacBook Alu (2008) per Boot Camp zeigte sich ein unerwartetes Bild. Nur die SSD von OCZ war hier schneller als die beiden Festplatten von Samsung und Toshiba (MK3254). Die Intel X-25M und die Torqx von Patriot Memory waren deutlich langsamer. Die Installation auf der Intel X-25M war mit 29 Minuten mehr als doppelt so lange als auf der Vertex mit 14 Minuten.

Im Windows Vista Boottest auf dem Apple MacBook (Boot Camp Partition, frisch installiertes Windows Vista Business 32 Bit mit Treibern von der Mac CD) zeigte die SSD von OCZ die besten Werte. Mit durchschnittlich 52 Sekunden war die Vertex um mehr als 10 Sekunden schneller als die zwei Festplatten. Der Unterschied zwischen SSD und HDD war hier jedoch im Schnitt nicht dramatisch. Muss man bei den 2 HDDs im Test durchschnittlich 65 Sekunden warten, zeigen die SSDs im Schnitt schon nach 56 Sekunden den Desktop.

Zu guter letzt haben wir auf dem gerade installierten Windows Vista Business noch den PCMark Vantage laufen lassen. Besonders in den HDD Scores zeigt sich die Stärke der SSDs. Eine bis zu 11x bessere Leistung attestiert Futuremark z.B. im Vergleich Samsung MH500Li zur Intel X-25M. Auch beim Vantage sieht man gut die Leistungsfähigkeit des Intel Controllers. Auch im Endergebnis zeigt sich der Wechsel von HDD auf SSD deutlich.

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, haben die SSDs beim Überschreiben / Löschen von Daten größere Performanceprobleme. Je mehr eine SSD benutzt wird, umso häufiger müssen Daten überschrieben werden (die bereits zum Löschen markiert wurden). Dieses Überschreiben dauert leider erheblich länger als ein Schreibbefehl alleine. Die SSD Controller besitzen bereits unterschiedliche Algorithmen, um mit diesem Problem umzugehen. Solange die SSD noch Platz bietet, schreibt der Controller z.B. die Daten in leere Bereiche, um ein Überschreiben zu verhindern. Außerdem sollen die Controller von Intel und Indilix über Algorithmen zur Heilung einer fragmentierten Disk verfügen. Dadurch wird es jedoch schwierig die SSDs im gebrauchten Zustand miteinander zu vergleichen.

Um die dauerhafte Benutzung zu simulieren bzw. eine Extremsituation darzustellen, haben wir den IOMeter mit Profil „IOBench“ mehrere Stunden laufen lassen und danach die Leistung gemessen. Die Messergebnisse sollen nicht direkt verglichen werden, sondern eher einen Eindruck über die Auswirkungen der Fragmentierung vermitteln.

Bei den sequentiellen Schreib- und Lesebenchmarks zeigt sich der Performanceeinbruch klarerweise nur bei den Schreibzugriffen. Hier brachen Vertex und Torqx auf etwa 24 MB / Sekunde ein, die Intel X25-M konnte 38 MB / Sekunde halten.

Bei den verschiedenen Profilen im Iometer Benchmark zeigt sich der starke Einbruch der SSDs bei starker Fragmentierung. Trotzdem bleiben die Messergebnisse meist deutlich über den Ergebnissen der (nicht fragmentierten) HDDs. Nur bei den sequentiellen Schreibraten von 2 MB Häppchen können die SSDs noch unter die Schreibrate der HDDs fallen (im Durchschnitt).

Da das Überschreiben von Daten bei SSDs sehr langsam ist (da nur ganze Blöcke von 128 KB gelöscht werden können) bricht die Schreibrate immer wieder auf bis zu 0,1 MB / Sekunde ein. Eine stark fragmentierte SSD zeigt bei den Schreibzugriffen meist ein starkes Zick-Zack Muster.

Als weiteren Praxistest haben wir die integrierte, alte und volle 120 GB Festplatte (Fujitsu MHW2120BH) in einem MacBook Pro aus 2007 (2.2 GHz) gegen eine schnelle HDD oder SSD ausgetauscht. Namentlich haben wir die Toshiba MK3254GS mit 320 GB und 7200 Umdrehungen pro Minute und die zwei 120 GB SSDs mit Indilinx Controller von OCZ und Patriot Memory verwendet.

Die Ergebnisse sprechen ein deutliches Bild. Bereits der Austausch der langsamen 120 GB Festplatte durch die schnelle 320 GB HDD brachte eine spürbare Verbesserung. Das System startete fast 4x so schnell und Anwendungen wurden doppelt so schnell geöffnet. Insgesamt spürte man einen klaren Performancegewinn.
Noch schneller wurde Mac Os X mittels der zwei SSDs. Die Performance der beiden unterschied sich im Anwendungstest kaum (da auch beide den selben Controller verwenden) und überzeugte im täglichen Gebrauch. Die Ladezeiten reduzierten sich abermals enorm und auch schwergewichtige Anwendungen, wie Eclipse starten in wenigen Sekunden.
Ein weiterer spürbarer Vorteil durch den Wechsel zu SSD war das verringerte Betriebsgeräusch (da die SSDs geräuschlos arbeiten). Die Toshiba HDD war jedoch im Praxistest etwas lauter als die alte 120 GB Fujitsu Platte.

Um den Stromverbrauch der einzelnen Probanden zu testen, haben wir die Gesamtstromaufnahme des 8935G mit dem jeweiligen Speichermedium im 2. Slot gemessen. Bei den Messungen kann sich eigentlich nur die Intel X25-M etwas von den 2.5“ Festplatten absetzen. Ohne Last sind moderne 2.5“ Festplatten auch sehr sparsam und dadurch ergibt sich nur ein geringes Einsparungspotential. Einen Vorteil beim Stromverbrauch spielen die SSDs jedoch aus. Durch ihre höhere Geschwindigkeit, sind sie mit den meisten Aufgaben (besonders Lesen) deutlich schneller fertig und können dadurch länger im Idle Mode verbleiben. Dadurch ist das SSD System bei gleicher Aufgabenstellung sparsamer über die Zeit.

Bei den Festplatten kann sich nur die 500 GB HDD von Toshiba im Lesetest etwas von der Konkurrenz absetzen.