Western Digital WD Black 1 TB NVMe SSD


Erschienen: 11.12.2018, Autor: Patrick von Brunn, Stefan Boller
Technologie im NAND-Flash-Bereich
Auf der Western Digital WD Black NVMe SSD-Serie wird 3D-TLC-NAND mit 64 gestapelten Lagen verwendet.

Auf der Western Digital WD Black NVMe SSD-Serie wird 3D-TLC-NAND mit 64 gestapelten Lagen verwendet.

Moderne 1x-nm-Flashspeicher sind mittlerweile zum Standard geworden – 2x-nm-Dies kommen kaum noch zum Einsatz. Dadurch wird unter anderem eine Reduktion der Herstellungskosten erzielt (verglichen mit 25 oder 32 nm). Dies wird möglich, da durch den geringeren Platzbedarf der feineren Strukturen mehr Chips aus einem 300-mm-Silizium-Wafer gewonnen werden können und die Produktion insgesamt (kosten)effizienter abläuft. Dadurch entstehende preisliche Vorteile können die Hersteller mehr oder weniger direkt an den Endkunden weitergeben und für eine attraktive Preisgestaltung sorgen.

Nachteilig wirkt sich die Reduktion der Strukturbreite nämlich auf die Lebenserwartung der Speicherzellen aus, denn die maximal mögliche Anzahl von Schreib- und Löschzyklen (Program/Erase-Cycles) sinkt. Während beispielsweise bei einer Vertex 3 mit 29F64G08ACME2-NAND-Flashes (25 nm) noch 5.000 P/E-Cycles im Datenblatt nachzulesen waren, muss sich der Flash der Vertex 3.20 (29F16B08CCMF3, 20 nm) mit 3.000 Zyklen begnügen – was immer noch sehr viel ist. Ziel des Shrinks ist sowohl die Kosteneinsparung als auch die verbesserte Verfügbarkeit der Chips. Heutzutage sind Flash-Speicher ein fester Bestandteil in sehr vielen elektronischen Endprodukten (Smartphones, Tablets etc.) und der entsprechend steigende Bedarf lässt sich dadurch abfangen. TLC ist eine weitere Alternative zu SLC- und MLC-Speichern und sorgt für weitere Kostensenkungen.

Single-Level Cell (SLC) Multi-Level Cell (MLC) Triple-Level Cell (TLC)
Bits per Cell 1 2 3
P/E-Cycles >100.000 3.000-5.000 1.000-1.500
Read Time 25 µs 50 µs 75 µs
Program Time 200-300 µs 600-900 µs ~900-1350 µs
Erase Time 1,5-2 ms 3 ms ~4,5 ms

Der größte Konkurrent des 1x-nm-MLC im günstigen Entry-Level heißt TLC und findet mittlerweile bei sehr vielen Herstellern Verwendung. Gerade beim preislich umkämpften Einsteiger- bzw. Consumer-Bereich zählt jeder Cent in der Hersteller und macht TLC-Speicher fast unumgänglich. TLC-Zellen (Triple-Level Cell) sind in der Lage bis zu drei Bit zu speichern, die durch acht unterschiedliche Schaltzustände abgebildet werden. Dadurch kann eine deutlich höhere Speicherdichte erreicht werden, was wiederum die Kosten für entsprechende Endprodukte sinken lässt. Durch die höhere Anzahl unterschiedlicher Spannungsniveaus (TLC: 2^3 = 8 / MLC: 2^2 = 4) sind diese Zelltypen aber auch anfälliger für die Abnutzung und letztlich den Ausfall. Deshalb sind im Zusammenhang von TLC-Speichertechnologien immer die Herstellerangaben bzgl. Haltbarkeit (TBW, Terabytes Written) und Garantiezeit essentiell. Bei den maximal möglichen P/E-Cycles von TLC-Zellen spricht man zur Zeit von 1.000-1.500. TLC hat allerdings insbesondere im Bereich Performance deutliche Nachteile, denn die Latenzzeiten für das Programmieren und Löschen von Zellen sind deutlich höher als z.B. bei SLC-Flash.

Im Gegenzug entwickeln SSD-Hersteller die Controller und deren Firmware stetig weiter, um Lasten besser zu verteilen, überflüssige Schreibzyklen zu minimieren und dadurch die Lebenserwartung zu steigern. Ein gutes Beispiel hierfür ist der Vergleich der Toshiba OCZ TR200 mit der ARC 100. Die ARC 100 mit 240 GB MLC-NAND wird mit 21,9 TBW spezifiziert und liegt damit deutlich hinter den Angaben der TR200, die trotz TLC-NAND etwa 60 TBW meistert.

Während in den vergangenen Jahren durchweg planare Speichertechnologien verwendet wurden, suchen die Speicherspezialisten immer weiter nach neuen Methoden um die Speicherkapazität bei gleicher Grundfläche weiter zu steigern. Ein Ergebnis dieser Entwicklungen ist der so genannte 3D-NAND, der den zuletzt üblichen 2D-Speicher immer mehr ablöst. Durch das Stapeln der Speicherzellen auf mehreren Ebenen bleibt die Grundfläche der Chips gleich, jedoch kann die Speichertiefe erhöht werden. Diese anspruchsvolle Technologie wird beispielsweise in Samsungs V-NAND umgesetzt. Toshiba setzt bei der TR200 auf den eigenen BiCS3 Flash, der 64 Lagen an TLC-Speicherzellen stapelt und dadurch hohe Speicherkapazitäten pro Chip erzielen kann. In Konkurrenz dazu haben Intel und Micron zusätzlich die Speichertechnologie 3D XPoint entwickelt. Crucial verwendet in einigen aktuellen Produkten, wie es u.a. die MX500 ist, die zweite Generation 3D-TLC-NAND-Technologie mit 64 Ebenen. Dieser Speicher ist wiederum das Ergebnis der Zusammenarbeit von Micron und Intel (IMFT).

Modelle und Preise

Western Digital bietet die WD-Black-Serie ausschließlich mit M.2-2280-Interface an und hält ingesamt drei verschiedene Speicherkapazitäten bereit: 250 GB (75 Euro), 500 GB (125 Euro) und 1 TB (240 Euro). Daraus ergeben sich Preise pro Gigabyte von umgerechnet 30, 25 bzw. 24 Euro-Cent, was unseren 1-TB-Testexemplar das beste Verhältnis aus Speicherkapazität und Preis bescheinigt. Differenzen in den technischen Daten gibt es bei allen Modellen, so dass beim Kauf durchaus darauf geachtet werden sollte. Wie die unten folgende Tabelle noch einmal verdeutlicht, ist das Spitzenmodell mit 1 TB auch das schnellste Drive der Familie und bietet den höchsten TBW-Wert.

Modell Rand. 4K Read Rand. 4K Write Seq. Read Seq. Write Haltbarkeit
1 TB 500.000 IOPS 400.000 IOPS 3.400 MB/s 2.800 MB/s 600 TBW
500 GB 410.000 IOPS 330.000 IOPS 3.400 MB/s 2.500 MB/s 300 TBW
250 GB 220.000 IOPS 170.000 IOPS 3.000 MB/s 1.600 MB/s 200 TBW

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