Tuning: Warum eine SSD so viel für die Performance bringt

Wenn es darum geht, einen PC oder ein Notebook aufzurüsten, um produktiver arbeiten zu können, denken viele Anwender an ein Upgrade von Prozessor und Speicher. Das bringt aber in vielen Fällen nicht den gewünschten Effekt. Wirft man einen Blick auf die in einem Computersystem befindlichen Komponenten, wird schnell klar, warum das so ist.

Moderne Prozessoren und Arbeitsspeicher erreichen beim Datenaustausch inzwischen eine Transfergeschwindigkeit von mehr als 30 GByte pro Sekunde. Doch die Daten müssen diesen Komponenten zur Verfügung stehen, um solche Transferraten zu erzielen. Und da kommt der Datenträger ins Spiel – und zwar als Bremsklotz. Moderne magnetische Festplatten bieten im besten Fall eine Übertragungsrate von gerade einmal 200 MByte/s oder, um es noch ein wenig besser vergleichen zu können, von 0,2 GByte/s. CPU und Arbeitsspeicher sind also um den Faktor 150 schneller. Damit ist klar, dass eine magnetische Festplatte CPU und RAM erheblich ausbremst, was sich negativ auf die Produktivität auswirkt.

Und selbst wenn man ein paar Jahre zurückblickt und sich etwa die Durchsatzraten eines Athlon 64 X2 und Pentium 4 Extreme Editon anschaut, stellt man fest, dass diese mit etwa 5 GByte/s immerhin die Leistungen einer modernen magnetischen Festplatte um den Faktor 25 übertreffen. Zieht man in Betracht, dass in älteren Systemen auch ältere Festplatten verbaut sind, die zu jener Zeit in etwa eine Transferrate von 80 MByte/s boten, erhöht sich der Unterschied bei der Leistung zwischen Festplatte und CPU/Arbeitsspeicher auf den Faktor 62.5.

Jede Maßnahme, die diese Leistungsunterschiede minimiert, sorgt dafür, dass CPU und RAM weniger auf Daten warten müssen und somit an sie gestellte Anforderungen schneller erfüllen können. Für den Anwender verkürzen sich die Wartezeiten und die Produktivität steigt.

In der Praxis ist die Leistung bei zufälligen Schreib-/Lese-Operationen bedeutsamer als die maximale Transferleistung. Solche Zugriffe finden häufig durch das Betriebssystem und beim Start von Anwendungen statt. Hier bieten SSDs auf Basis von des NVMe-Protokolls (Samsung SSD 950 PRO, 960 EVO und 960 PRO) erhebliche Vorteile (Grafik: ZDNet.de).

SSD minimiert Leistungsungleichgewicht

Als probates Mittel, um das Leistungsungleichgewicht zu minimieren, setzen daher viele Anwender eine SSD ein. Zunächst stand dem in Sachen Leistungsfähigkeit gegenüber einer magnetischen Festplatte bei weitem überlegenen Flashspeicher nur eine SATA-Schnittstelle auf Basis des AHCI-Protokolls zur Verfügung. Diese bietet eine maximale Transferrate von 600 MByte/s. In der Praxis kostet der Overhead des Protokolls etwas Leistung. Aber mit einer Nettotransferrate von etwa 550 MByte/s sind SSDs mehr als doppelt so schnell wie moderne magnetische Festplatten.

Die Samsung SSD 960 PRO lässt sich mittels PCIe-Adapter auch in Verbindung mit älteren Mainboards in Betrieb nehmen. Auch in Notebooks mit PCIe-m.2-Steckplatz kann das Modell eingesetzt werden (Bild: ZDNet.de).

Und mit der auf Basis der PCIe-Express-Schnittstelle seit wenigen Jahren erhältlichen NVMe-SSDs steht bereits die nächste Stufe der Flashtechnik bereit, die die starken Unterschiede zwischen Datenträger und CPU/RAM weiter minimiert. Als erster Vertreter im Massenmarkt dieser neuen Art von SSDs auf Basis von PCIe-Schnittstelle und dem NVMe-Protokoll hat Samsung vor gut zwei Jahren die SSD 950 Pro vorgestellt. Das Modell bietet eine Leserate von 2,5 GByte/s und eine Schreibleistung von 1,5 GByte/s. Ein Jahr später hat Samsung die Messlatte für NVMe-SSDs mit den Modellen SSD 960 PRO und SSD 960 EVO erneut nach oben gelegt. Das Spitzenmodell SSD 960 PRO bietet eine maximale Leserate von 3,5 GByte/s und bewegt sich damit in Richtung Limit der PCIe-3.0-x4-Schnittstelle, die eine Datenrate von knapp 4 GByte/s bietet. Mehr geht derzeit nicht, da NVMe-SSDs im M.2- oder U.2-Anschluss auf vier parallele PCIe-Lanes beschränkt sind. Somit bietet erst der Standard PCIe 4.0 x4 mit einer Transfergeschwindigkeit von knapp 8 GByte/s neues Potential für NVMe-SSDs.

Abseits der Maximalbandbreite bieten NVMe-SSDs große Vorteile bei zufälligen Leseoperationen von kleinen Datenblöcken. Hier beträgt der Leistungsvorsprung ein Vielfaches. Der Grund dafür liegt nicht nur in einer höheren Schnittstellengeschwindigkeit von knapp 4 GByte/s (PCIe x4 3.0) zu 600 MByte/s (SATA), sondern am Einsatz des neue NVMe-Protokolls. Dieses bietet  I/O-Queues (Input/Output-Warteschlangen) mit einer Tiefe von 64k und ebenso viele Befehle, die gleichzeitig abgearbeitet werden können. AHCI hingegen muss mit einer Warteschlange und maximal 32 Befehlen klarkommen. Damit bietet NVMe deutliche höhere Bandbreiten und wesentlich niedrigere Zugriffszeiten im Vergleich zu AHCI.

Externe SSD-Modelle

Der Siegeszug von Flashspeicher macht auch vor externen Speicherlösungen nicht halt. Um ihre gegenüber magnetischen Festplatten großen Performancevorteile in der Praxis ausspielen zu können, sind sie allerdings auf leistungsfähige Schnittstellen angewiesen. Mindestens USB 3.0 muss also hier Verwendung finden, wenn die Performance der Lösung im Fokus steht. Erst kürzlich hat Samsung mit der Portable SSD T5 ein Modell vorgestellt, das sogar USB 3.1 Gen.2 unterstützt. Es löst die Vorgängervariante Portable SSD T3 ab, die Samsung ein Jahr zuvor vorgestellt hatte.

In der Praxis bringen die Verbesserungen einen Performancezuwachs beim Lesen von 20 Prozent auf circa 540 MByte/s. Beim Schreiben steigt die Leistung gegenüber der Vorgängergeneration um 15 Prozent auf etwa 515 MByte/s. Damit diese Leistungsdaten in der Praxis erreicht werden, müssen Betriebssystem und USB-Treiber das sogenannte USB Attached SCSI Protocol (UASP) unterstützen, was unter aktuellen Versionen von Windows 10, OS X und Linux kein Problem darstellt. Für die Top-Leistung muss natürlich auch die Hardware USB 3.1 Gen2 unterstützen. Kommen ältere USB-Schnittstellen zum Einsatz sinkt die Performance. So erreicht die T5 mit USB 3.1 Gen1 maximal „nur“ noch 450 MByte/s beim Lesen und beim Schreiben. Ohne UASP sinkt die Transferrate auf 350 MByte/s und mit USB 2.0 auf etwa 49 MByte/s.

Die Portable SSD T5 wird in zwei Farbvarianten ausgeliefert. Ozeanblau für die Modelle mit 250 GByte und 500 GByte Speicherkapazität sowie Deep Black für die Topvarianten mit 1 TByte und 2 TByte. Die Modelle unterstützen USB 3.1 Gen2 und erreichen eine maximale Leseleistung von 540 MByte/s  (Bild: Samsung).

Fazit

Sofern ein PC oder Notebook mit einem halbwegs ordentlichen Prozessor ausgestattet ist und mindestens über 4 GByte RAM verfügt, sollte man in Betracht ziehen, diesen mit einer SSD auszustatten und damit zu neuem Leben zu erwecken. Das lohnt sich selbst bei Systemen, die schon etwas in die Jahre gekommen sind. Selbst einem iMac aus dem Jahr 2007 mit Core-2-Duo-Prozessor und vier Gigabyte Arbeitsspeicher hat im Test von einem SSD-Upgrade profitiert. Während der Start mit der eingebauten magnetischen Festplatte über eine Minute dauert, war macOS nach dem Einbau einer SSD bereits nach 30 Sekunden einsatzbereit. Und auch die Nutzung von Photoshop hat mit dem SSD-getunten iMac wieder Spaß gemacht.

Und für ein High-Performance-System sollte man die derzeit schnellste NVMe-SSD verwenden. Mit der Samsung SSD 960 PRO sinkt der Leistungsunterschied von Datenträger zu Prozessor und RAM von Faktor 150 mit einer magnetischen Festplatte auf 8,5. Ideal wäre natürlich, wenn dieser bei 1 läge – die SSD also genauso schnell wie CPU und Ram wäre. Aber das ist noch Zukunftsmusik.