7.2 Speichermedien - HDD, SSD, Band und optische Medien

Speicher nach Aufgabe und Technik einordnen

Nichtflüchtige Speicher behalten Daten ohne Energieversorgung. Dazu gehören magnetische Festplatten und Bänder, Flash-Speicher sowie optische Datenträger. Flüchtige Speicher wie SRAM und DRAM verlieren ihren Inhalt ohne Strom, erreichen dafür sehr kurze Zugriffszeiten und dienen als Cache beziehungsweise Arbeitsspeicher.

Medium, Protokoll, Schnittstelle und Bauform sind getrennte Merkmale. NAND-Flash ist beispielsweise das Speichermedium, NVMe ein Zugriffsprotokoll, PCI Express der Transport und M.2 lediglich eine mögliche Bauform. Aus der Form eines Moduls allein lässt sich deshalb weder das Protokoll noch die Leistung sicher ableiten.

Wichtige Auswahlkriterien

Magnetische Festplatten: HDD mit SATA oder SAS

HDDs speichern Daten magnetisch auf rotierenden Plattern. Sie bieten hohe Kapazitäten zu vergleichsweise niedrigen Kosten, reagieren bei vielen zufälligen Zugriffen wegen Seek- und Rotationslatenz aber deutlich langsamer als SSDs. 3,5-Zoll-HDDs sind vor allem in Desktop-, NAS- und Speichersystemen verbreitet; 2,5-Zoll-HDDs wurden häufig in Notebooks und Servern eingesetzt, sind dort heute jedoch weitgehend durch SSDs verdrängt.

SATA und SAS beschreiben Schnittstelle und Protokoll, nicht das Speichermedium. SAS-HDDs sind ebenfalls magnetische Festplatten. Enterprise-SAS bietet unter anderem Dual-Port-Anbindung, umfangreiche Verwaltungsfunktionen und für Server geeignete Fehlerbehandlung. SAS-Laufwerke mit 10.000 oder 15.000 U/min waren schneller als typische SATA-HDDs, wurden im Performance-Tier jedoch weitgehend durch SSDs ersetzt.

IDE beziehungsweise Parallel ATA ist Legacy-Technik für ältere PCs. eSATA führte SATA nach außen und ist heute ebenfalls selten. Eine SATA-Linkrate von 6 Gbit/s ist nicht mit der realen Platter-Datenrate gleichzusetzen. Konkrete Leistung, CMR-/SMR-Verfahren, Workload-Freigabe und Kapazität müssen dem jeweiligen Datenblatt entnommen werden.

Magnetband: Backup und Langzeitarchiv

Bandlaufwerke schreiben Daten auf lange Magnetbänder in Kassetten. Der Zugriff erfolgt überwiegend sequenziell: Große Datenströme lassen sich effizient sichern, einzelne weit auseinanderliegende Dateien benötigen jedoch Positionierzeit. Magnetband eignet sich deshalb für große Backups, Archive und offline gelagerte Kopien, nicht als allgemeiner Ersatz für ein Systemlaufwerk.

Die frühere Angabe von 15 TB ist überholt. LTO-10 unterstützt je nach Kassette 30 oder 40 TB native Kapazität und bis zu 400 MB/s native Transferrate. Komprimierte Angaben von bis zu 75 beziehungsweise 100 TB hängen vom Dateninhalt ab und dürfen nicht als garantierte Kapazität verstanden werden. LTO-10 liest oder schreibt keine älteren LTO-Generationen; Kompatibilität muss vor einer Migration geprüft werden.

Band besitzt nicht pauschal weniger Schreibzyklen als eine HDD. Entscheidend sind spezifizierte Medienlebensdauer, Laufwerkszustand, Lagerung, Anzahl der Durchläufe und regelmäßige Lesekontrollen. WORM-Medien, Hardwareverschlüsselung und eine offline entnommene Kassette können Schutzkonzepte ergänzen.

NAND-Flash und der Aufbau einer SSD

Eine SSD kombiniert NAND-Flash, Controller, Firmware, Fehlerkorrektur und Mappingtabellen. Flash-Zellen werden seitenweise programmiert und blockweise gelöscht. Der Controller verteilt Schreibvorgänge durch Wear Leveling, bereinigt Blöcke per Garbage Collection und ersetzt fehlerhafte Zellen durch Reservebereiche. TRIM informiert die SSD darüber, welche logischen Blöcke nicht mehr benötigt werden.

Je mehr Bits eine Zelle speichert, desto höher ist typischerweise die Datendichte, während Schreibfestigkeit und direkte Programmiersicherheit anspruchsvoller werden. Der Controller gleicht dies mit ECC, Reserven und Caches aus. SLC speichert ein Bit, MLC im engeren Sinn zwei, TLC drei und QLC vier Bits pro Zelle. Die tatsächliche Haltbarkeit bleibt produkt- und workloadabhängig.

SATA-SSD

Eine SATA-SSD nutzt häufig die 2,5-Zoll-Bauform und das AHCI-Protokoll. Es gibt auch M.2-Module mit SATA-Anbindung. Mechanische Teile entfallen, wodurch Zugriffszeit, Geräusch, Stoßfestigkeit und Leistungsaufnahme gegenüber HDDs meist günstiger ausfallen.

SATA III überträgt nominell 6 Gbit/s. Wegen Leitungscodierung und Protokolloverhead liegen sequenzielle Nutzdatenraten guter SATA-SSDs typischerweise im Bereich von rund 500 bis 560 MB/s. Das ist kein Kapazitäts- oder Qualitätsmerkmal: NAND-Typ, Controller, DRAM-Cache, SLC-Schreibcache, Temperatur, Füllstand und Firmware beeinflussen das Verhalten erheblich.

NVMe über PCI Express

NVMe ist ein für nichtflüchtige Speicher entwickeltes Protokoll mit parallelen Warteschlangen und geringerem Software-Overhead als ältere AHCI-Pfade. Lokal wird es meist über PCI Express transportiert; NVMe over Fabrics kann NVMe-Kommandos außerdem über Netzwerke wie RDMA oder TCP übertragen.

Eine NVMe-SSD ist nicht automatisch ein M.2-Modul. NVMe-Laufwerke existieren als M.2, 2,5-Zoll-U.2/U.3, PCIe-Steckkarte und in Enterprise-Bauformen wie E1.S oder E3.S. Umgekehrt kann ein M.2-Sockel je nach Mainboard SATA, PCIe/NVMe oder beides unterstützen. Keying, Länge, PCIe-Lanes, Generation, Boot-Unterstützung und Kühlung müssen zusammenpassen.

M.2, U.2/U.3 und PCIe-Steckkarten

M.2-Module sind kompakt und werden beispielsweise als 2280 mit 22 mm Breite und 80 mm Länge bezeichnet. Ein passiver PCIe-Adapter kann ein M.2-NVMe-Modul mechanisch in einen Steckplatz bringen, stellt aber nicht automatisch Bootfähigkeit, Lane-Aufteilung oder Kühlung sicher. Adapter für mehrere Module können PCIe-Bifurcation oder einen eigenen Switch benötigen.

U.2 bezeichnet eine 2,5-Zoll-Ausführung mit SFF-8639-kompatibler Verbindung, die unter anderem PCIe, SAS oder SATA führen kann. Sie sieht einem SAS-Anschluss ähnlich, ist aber nicht einfach „ein SAS-Stecker“. U.3 vereinheitlicht die Backplane-Anbindung für unterschiedliche Protokolle in geeigneten Serverplattformen. PCIe-AICs und EDSFF-Formate bieten größere Kühlflächen beziehungsweise servicefreundliche Enterprise-Varianten.

Schreibfestigkeit und Leistungsangaben bei SSDs

Die Schnittstelle bestimmt nicht die Haltbarkeit. Client- und Enterprise-SSDs unterscheiden sich durch NAND-Auswahl, Reserven, Firmware, Power-Loss-Protection, garantierte Schreiblast und Fehlerbehandlung. TBW gibt die während der Garantie spezifizierte Gesamt-Schreibmenge an. DWPD beschreibt, wie oft die nutzbare Kapazität pro Tag über einen definierten Zeitraum geschrieben werden darf.

Kurze Benchmarkwerte können aus einem schnellen Pseudo-SLC-Cache stammen. Bei langen Schreibvorgängen, hohem Füllstand oder hoher Temperatur kann die Datenrate sinken. Für Datenbanken, Virtualisierung und andere Dauerlasten zählen zusätzlich Random-I/O, Latenzverteilung, Queue Depth, Stromausfallschutz und Steady-State-Verhalten.

NOR-Flash und hybride Laufwerke richtig einordnen

NOR-Flash erlaubt schnellen wahlfreien Lesezugriff und kann Code direkt ausführen. Es wird häufig für Firmware, Bootcode und eingebettete Systeme eingesetzt. Klassische SSDs für PCs und Server basieren dagegen auf NAND; eine allgemeine Kategorie „NOR-SSD“ spielt dort praktisch keine Rolle.

Eine SSHD kombiniert HDD und einen kleinen Flash-Cache. Häufig gelesene Daten können beschleunigt werden, die dauerhafte Hauptkapazität bleibt jedoch mechanisch. SSHDs waren besonders für Notebooks mit nur einem Laufwerksschacht interessant. Durch günstige SATA- und NVMe-SSDs sind sie heute eine Nischen- beziehungsweise Legacy-Lösung.

Optische Datenträger

CD, DVD und Blu-ray speichern Informationen in einer optisch ausgelesenen Spur. Gepresste ROM-Medien, einmal beschreibbare R-Medien und wiederbeschreibbare RE/RW-Varianten unterscheiden sich technisch und in ihrer Eignung. Blu-ray wird mit „Blu-ray“ geschrieben, nicht „Blue-Ray“.

Optische Medien können für Softwareverteilung, Offline-Kopien und kleinere Archive sinnvoll sein. Kapazität, Schreibgeschwindigkeit und Laufwerksverfügbarkeit liegen jedoch deutlich hinter modernen Massenspeichern. Die tatsächliche Lebensdauer hängt von Medientyp, Herstellung, Brennqualität, Lagerung und Lesegerät ab. Holografische Speicher wurden als Technik entwickelt, sind aber kein übliches aktuelles PC-Speichermedium.

Flüchtige Speicher: SRAM, DRAM und Grafikspeicher

SRAM bedeutet Static Random Access Memory, nicht „Synchronous RAM“. SRAM benötigt keinen Refresh und wird wegen seiner Geschwindigkeit vor allem in Caches eingesetzt. DRAM speichert Bits in Zellen, die regelmäßig aufgefrischt werden müssen, und bildet den Hauptspeicher.

SDRAM arbeitet synchron zu einem Takt. DDR-SDRAM überträgt Daten an beiden Taktflanken; aktuelle Generationen sind elektrisch und mechanisch nicht beliebig austauschbar. GDDR ist für hohe Bandbreite bei Grafikkarten optimiert, HBM stapelt Speicherchips und bindet sie über ein sehr breites Interface an. Diese Speicher sind flüchtig und keine Alternative zu SSD- oder HDD-Datensicherung.

ECC, Registered und Unbuffered RAM

ECC-Speicher ergänzt Prüfbits. Übliche SECDED-Verfahren können einen einzelnen Bitfehler korrigieren und einen doppelten Bitfehler erkennen; moderne Plattformen können weitere Schutzverfahren einsetzen. ECC funktioniert nur, wenn Prozessor, Speichercontroller, Mainboard, Firmware und Modul die passende Betriebsart unterstützen.

Registered DIMMs puffern Steuer- und Adresssignale, um die elektrische Last bei vielen oder großen Modulen zu reduzieren. Das ermöglicht hohe Serverkapazitäten, verlängert aber nicht pauschal die Lebensdauer eines Moduls. Unbuffered DIMMs verbinden diese Signale direkter und sind in Desktop-Systemen üblich. RDIMM und UDIMM dürfen normalerweise nicht gemischt werden.

DDR4, DDR5, DIMM und SO-DIMM erkennen

DDR4 und DDR5 bezeichnen die Speichergeneration. DIMM und SO-DIMM bezeichnen dagegen die Bauform. Ein DDR4-UDIMM und ein DDR5-UDIMM besitzen zwar jeweils 288 Kontakte, verwenden aber unterschiedliche Kerben, elektrische Belegungen und Spannungen. Sie sind nicht austauschbar. Bei den kompakten Modulen besitzt DDR4 SO-DIMM 260 Kontakte und DDR5 SO-DIMM 262 Kontakte.

Die Kerben in der Grafik sind bewusst deutlich hervorgehoben. In der Praxis darf ein Modul niemals allein nach Augenmaß ausgewählt oder mit Kraft eingesetzt werden. Mainboardhandbuch, Speichergeneration, Bauform, Modulart, Kapazitätsgrenzen und Herstellerfreigaben müssen zusammenpassen.

ECC, UDIMM und Registered DIMM unterscheiden

ECC und Registered beschreiben nochmals andere Eigenschaften. ECC ergänzt Prüfinformationen zur Erkennung und Korrektur von Speicherfehlern. Registered bedeutet, dass ein Register beziehungsweise Register Clock Driver Befehls-, Adress- und Taktsignale puffert. Deshalb kann es sowohl ECC UDIMMs als auch ECC RDIMMs geben. Ein RDIMM ist nicht einfach nur ein „DIMM mit ECC“.

DDR5 besitzt unabhängig vom Modulformat On-Die-ECC innerhalb jedes DRAM-Chips. Diese interne Korrektur verbessert die Fertigungs- und Zellzuverlässigkeit, stellt dem Speichercontroller aber nicht automatisch die zusätzlichen Prüfbits eines System-ECC-Moduls bereit. Ein gewöhnliches DDR5-UDIMM wird dadurch nicht zu einem ECC-UDIMM.

RDIMMs tragen wegen ihrer Kapazität und Organisation häufig deutlich mehr Speicherbausteine und können auf einer Modulseite in zwei Reihen bestückt sein. Die sichtbare Anzahl oder Anordnung der Chips ist jedoch kein sicherer Beleg für ECC, Registered oder die Rank-Anzahl; entscheidend sind Modulkennzeichnung, SPD-Daten und Plattformdokumentation.

Passendes Medium für typische Aufgaben

Ein professionelles Speicherkonzept kombiniert häufig mehrere Ebenen: RAM und Cache für aktive Daten, SSD für latenzkritische Anwendungen, HDD für große Kapazität und getrennte Backup- oder Archivmedien. Integritätsprüfungen, dokumentierte Wiederherstellungstests und rechtzeitige Migration gehören unabhängig vom Medium dazu.