Speichermedien Der Siegeszug des Flash-Speichers

Vor zwei Jahren jubelten die Festplattenhersteller in höchsten Tönen. Die gut 50 Jahre alte Speichertechnik sei dabei, neues Terrain zu erobern, nämlich die Welt der mobilen Musikspieler, der Digitalkameras und Handys. „Wie viele Festplatten sehen Sie auf diesem Bild?“, fragte ein Hersteller in seiner Werbung und zeigte das Wohnzimmer von morgen mit viel Heimelektronik. Natürlich nutzten alle dort sichtbaren Komponenten die Festplatte als Speichermedium. Diese schönen Träume sind vorbei. Vielmehr hat sich der Flash-Speicher durchgesetzt. Er hat keine beweglichen Teile, läuft geräuschlos und behält seine Daten ohne Stromzufuhr länger als zehn Jahre. Die Chips werden immer günstiger, und die Speicherkapazität wächst von Jahr zu Jahr.

Es gibt ein Wirrwarr unterschiedlicher Bauformen und Formate. Als Secure-Digital-Karte kommen in diesen Wochen die ersten zwei Gramm leichten Medien mit einem Fassungsvermögen von 8 Gigabyte in den Handel (für rund 80 Euro). Secure-Digital hat sich weitgehend durchgesetzt, in Digitalkameras ebenso wie beim Handy in der noch kleineren Micro-SD-Variante. Die ältere Compact-Flash-Karte ist nach wie vor in Spiegelreflexkameras der Oberklasse im Einsatz, alle anderen Formate sind Auslaufmodelle. Mit dem Handy K850i verabschiedet sich Sony Ericsson von seinem teuren Memorystick und setzt auf Micro-SD, und in der Fotowelt ist Fuji ebenfalls dabei, den Sonderweg der xD-Karte zu verlassen.

Festplatte soll völlig ersetzt werden

Jenseits der 2-Gigabyte-Grenze tragen die neuen Medien das SDHC-Logo mit dem Dateiformat FAT 32. 8 Gigabyte auf einer SD-Karte: Das ist Platz für Tausende von MP3-Stücken oder Digitalfotos. Um sich die Dynamik des Marktes vor Augen zu führen, sei daran erinnert, dass die erste 1-Gigabyte-Karte im Jahr 2001 rund 1.000 Euro kostete. In nur zwölf Monaten sank der Preis auf 400 Euro, und heute sind keine 10 Euro dafür zu bezahlen. Der Flash-Speicher kommt aber nicht nur im Kartenformat zum Einsatz. Als USB-Stick ist er das Speichermedium der Computerwelt schlechthin. Schon sind die ersten Geräte mit 16 Gigabyte erhältlich und mit 64 Gigabyte angekündigt.

Und nun soll der Flash-Speicher sogar die Computer-Festplatte vollständig ersetzen. Vor uns steht ein besonderes Notebook. Ein schicker, flacher Dell XPS M1330, der nicht nur mit seiner faszinierenden Optik und dem geringen Gewicht von 1,9 Kilogramm überzeugt. Der Dell XPS ist beispiellos leise und erwärmt sich selbst im Dauerbetrieb kaum. Beim Hinhören zu Hause in absolut ruhiger Umgebung wird es besonders deutlich: Das sirrende Laufgeräusch der Festplatte fehlt: ein geradezu ungewohntes Arbeiten mit Windows, selbst wenn man leise PCs gewöhnt ist. Das muss man einfach erlebt haben. Der M1330 ist jedoch nicht im Stromsparmodus, sondern arbeitet fleißig mit Tabellenkalkulation und Textverarbeitung. Das Flash-Medium heißt hier Solid State Disk (SSD) und fasst immerhin 32 Gigabyte.

Die Tücken liegen im Detail

Damit wird das empfindlichste und neben dem Lüfter lauteste Bauteil des Notebooks durch ein geräuschloses und gegen Stöße unempfindliches ersetzt, das eine geringere Leistungsaufnahme hat, weniger Abwärme produziert und damit thermische Probleme im Notebook mindert. Das sind zumindest die Versprechungen aus der schönen neuen Welt der SSD-Festplatten: weg mit der störanfälligen, stromhungrigen und lauten Mechanik und freie Bahn für verschleißfreie Elektronik. Doch die Tücken liegen im Detail.

Die derzeit lieferbaren SSD-Medien sind rar. Nur Dell wollte und konnte uns ein Testgerät zur Verfügung stellen. SSD sind zudem verflixt teuer: 450 bis 650 Euro für die bescheidene Kapazität von 32 Gigabyte. Zum Vergleich: Eine typische Notebook-Festplatte mit 250 Gigabyte kostet um die 150 Euro. SSD bieten zudem bislang deutlich weniger Speicherplatz, das Maximum liegt derzeit bei 128 Gigabyte in den Ankündigungen einiger Hersteller. Und sie sind zwar beim Lesen ebenso flink wie eine Festplatte, aber nicht beim Schreiben.

Beschränkte Lebensdauer oder übertriebene Angst?

Schließlich schwebt über den Flash-Speichern das Damoklesschwert ihrer begrenzten Lebenserwartung. Wenn man der „Wikipedia“ folgt, gibt ein Medium bereits nach 100.000 Lese- und Schreibzyklen seinen Geist auf. Also viel Hype um nichts? Klar ist: Die Festplatte hat nicht von heute auf morgen ausgedient, sie ist kein Auslaufmodell, sondern wird noch viele Jahre mit ihrem hohem Tempo sowie exzellenten Preis-Leistungs-Verhältnis der Massenspeicher schlechthin bleiben. Aber die SSD gewinnt Marktanteile und ist Technik der Zukunft, vor allem für besonders kleine Geräte und die Nutzung unter widrigen Bedingungen. Wie funktioniert die Technik? Flash-Zellen sind Halbleiterbauelemente, wie die RAM-Speicherbausteine.

Sie behalten allerdings ihre Informationen, wenn keine Versorgungsspannung anliegt. Grob vereinfacht, speichert die einzelne Zelle Informationen wie ein Transistor. Dank einer elektrisch isolierten Halbleiterschicht entsteht jedoch eine „Ladungsfalle“, „Floating Gate“, die den Abfluss der Ladung im spannungslosen Zustand verhindert. Die Ladung bleibt über viele Jahre hinweg stabil. Um die Zelle neu zu beschreiben oder zu löschen, setzt man einen quantenmechanischen Effekt ein (Fowler-Nordheim-Tunnelung): Die Ladungsträger werden mit einer hohen Schreibspannung (10 bis 13 Volt) quasi aus dem Floating Gate herausgetrieben, weshalb die Zelle unter jedem Löschvorgang „leidet“: Die Oxidschicht büßt von ihrer Isolierfähigkeit ein.

Eine Betriebsdauer von 2 Millionen Stunden

Das Ganze geschieht zudem nicht für eine einzelne Zelle, sondern großflächig blockweise für 16 Kilobyte und mehr. Von diesem blitzartigen Löschen ganzer Regionen stammt angeblich die Bezeichnung Flash. Durch die blockweisen Operationen sind Schreibzugriffe deutlich langsamer als Lesevorgänge: Zuerst wird der gesamte Block in einen Puffer kopiert, dort verändert und abschließend komplett zurückgeschrieben. Lesend erreichen Flash-Speicher bis zu 60 Megabyte in der Sekunde, beim Schreiben aber nur 30. Mit einer Zugriffszeit von 120 Mikrosekunden ist Flash jedoch deutlich schneller als jede Festplatte (10 bis 15 Millisekunden) - aber langsamer als ein RAM-Baustein (8 bis 30 Nanosekunden).

Um die Haltbarkeit eines Flash-Speichers zu erhöhen, werden Schreib- und Lesezugriffe von einem sogenannten Wear Leveling kontrolliert: Für eine gleichmäßige Beanspruchung der Blöcke verteilt man die Schreibzugriffe auf das gesamte Medium. Häufig beschriebene Bereiche wie die Dateizuordnungstabelle (FAT, File Allocation Table) ziehen regelmäßig auf dem Medium um, und ein „Defect Management“ sorgt dafür, dass beschädigte Blöcke automatisch aussortiert werden. In diesem Sinne muss man die oft zitierte Obergrenze von 100.000 Schreibzyklen relativieren. Der Hersteller San Disk gibt für seine SSD eine „mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen“ (MTBF, Mean operating Time Between Failures) von 2 Millionen Stunden an. Das ist die sechsfache Zeit einer herkömmlichen Notebook-Festplatte.

SSD erreichen nur USB-Tempo

Und die Kollegen der Fachzeitschrift „c't“ haben einen USB-Stick im Dauerbetrieb ohne jede Störung in mehr als 16 Millionen Zyklen gelesen, gelöscht und beschrieben. Angesichts der Tatsache, dass ein Notebook ohnehin nur drei oder vier Jahre eingesetzt wird, ist also die Entscheidung für eine stoßunempfindliche SSD gewiss klüger als der Einsatz einer mechanischen Festplatte, die bereits nach einem unglücklichen Sturz defekt sein kann (und ebenfalls nicht für die Ewigkeit gebaut ist). Allerdings lassen sich die Daten einer beschädigten mechanischen Festplatte in Speziallabors mit großem Aufwand retten, während die einer gelöschten SSD nicht mehr rekonstruierbar sind. Die derzeit angebotenen Modelle kommen in der Bauform einer Festplatte daher, wahlweise im Format 1,8 oder 2,5 Zoll.

Hersteller sind vor allem Samsung, San Disk, Transcend, Super Talent und andere. Erste Versuche von Fachzeitschriften bestätigen, dass die Leistungsaufnahme von SSD deutlich geringer ist als die einer herkömmlichen Festplatte (0,1 Watt im Leerlauf, 0,5 Watt bei Zugriff gegenüber 0,8 und 2,0 Watt) und sich damit die Akkulaufzeit des Notebooks erhöht. Ein PC mit SSD fährt Windows etwas schneller hoch und ist insgesamt flinker. Die neuen Festplatten verwenden die gleichen Anschlüsse wie die alten. Als Schnittstelle dient überwiegend Pata mit dem obligaten 40-adrigen Kabel, bisweilen werden Adapterrahmen mit Sata-Anschluss mitgeliefert. SSD sind ferner auch im Express-Card-Fomat lieferbar, nutzen den USB-Port im Express-Card-Slot und erreichen deshalb nur USB-Tempo.

Windows-PC soll schneller werden - aber nur mit Vista

Eine Variante sind Hybrid-Festplatten, die neben der rotierenden Scheibe einen Flash-Datenpuffer bieten. Der PlattenCache soll Zugriffe auf die Speicherscheibe verringern, Strom sparen und mehr Tempo bringen. Die Idee hört sich gut an. Den Umgang mit Hybrid-Festplatten beherrscht derzeit jedoch nur Windows Vista. Es kann gezielt Daten in den Puffer auslagern und das Laufwerk anweisen, seine Magnetscheiben so lange stillzuhalten, bis der Flash-Speicher ausgeschöpft ist. Die erste Hybrid-Platte von Samsung enthält den Hinweis, dass sie nur mit Vista verwendet werden darf. Und in der Praxis ist nach Labormessungen kein Beschleunigungseffekt feststellbar. Samsung macht Microsoft für diese Blamage verantwortlich: „Jetzt muss softwareseitig optimiert werden. Allein können wir die Suppe nicht kochen“, sagt Marketing-Managerin Sun Spornraft und setzt auf das kommende Service Pack 1 für Vista.

Ein weiterer interessanter Einsatzbereich von Flash-Speichern dreht sich ebenfalls um das Thema „Cache“. Ein handelsüblicher USB-Stick oder eine Speicherkarte mit USB 2.0 und mindestens 256 Megabyte lässt sich unter Vista im Ready-Boost-Modus als ausgelagerter Hauptspeicher einsetzen, auf den das Betriebssystem schneller als auf die Festplatte zugreifen kann. Das entsprechende Menü erscheint, sobald man das Medium mit dem Vista-PC verbindet. Microsoft empfiehlt, den Ready-Boost-Speicher mindestens so groß wie den Arbeitsspeicher zu dimensionieren. Noch besser ist die zwei- bis dreifache Kapazität. Es werden hier nur Daten abgelegt, die sich bereits auf der Festplatte befinden. Schließlich könnte man ja einen Stick versehentlich abziehen. Außerdem wird der Cache-Inhalt verschlüsselt.

Der PC als Schlüsselanhänger

Auch diese Technik überzeugt nur in der Theorie. Benjamin Benz und Hajo Schulz von der „c't“ fassen ihre Tests zusammen: „Bei wem Ready Boost die Systemleistung merklich steigert, der besitzt einen PC, der entweder zu schwachbrüstig ist für Windows Vista respektive die gestellte Aufgabe oder ohne Sinn und verstand zusammengestellt wurde. Wer überlegt, seinen Rechner mit Ready Boost aufzurüsten, sollte lieber in einen bis zwei zusätzliche Speicherriegel oder eine schnelle Festplatte investieren.“ Für Basteleien am Betriebssystem taugt Flash also nicht. Die Erfolgsgeschichte dieses Formats bleibt auf den Einsatz als Speicher beschränkt, und hier besteht ein riesiges Potential.

Schon jetzt passt auf 32 Gigabyte ein komplett eingerichtetes Betriebssystem mit viel Zusatzsoftware. Wenn demnächst solche Kapazitäten als USB-Stick oder SD-Karte selbstverständlich werden, kann man seine Rechnerumgebung und seine persönlichen Daten überall mitnehmen, etwa als Schlüsselanhänger. Vielleicht steckt man in fünf Jahren sein privates Speichermedium mit sagen wir 500 Gigabyte in einen Computer, der ohne eingebaute Festplatte auskommt. In zehn Jahren rechnen wir mit Flash-Medien im Tera- oder Petabyte-Bereich, ausreichend beispielsweise für alle Musikstücke dieser Welt oder Tausende von Filmen. Speicherplatz ist jedenfalls in Zukunft nicht mehr knapp.