Ein Solid-State-Drive (von engl. oder solid-state disk), kurz SSD, seltener auch Halbleiterlaufwerk oder Festkörperspeicher genannt, ist in der Computertechnik ein nichtflüchtiger Speicher, heute überwiegend aus NAND-Flash-Speicherzellen aufgebaut. Die Bezeichnung Drive (engl. für Laufwerk) bezieht sich auf die ursprüngliche und übliche Definition als Speichermedium von Computern. Weil die SSD u. a. in PCs weitestgehend rotierende Festplatten ersetzte, wird sie manchmal auch als „SSD-Festplatte“ bezeichnet, was dem allgemeinen Gebrauch des Begriffs Festplatte entspricht. Die Bauform und die elektrischen Anschlüsse können den Normen für Laufwerke mit magnetischen oder optischen Speicherplatten entsprechen, müssen dies aber nicht; so erfahren Ausführungen als gehäuselose M.2-Steckkarte im PC-Bereich stark wachsende Verbreitung. Wird eine konventionelle Festplatte (engl. Hard Disk Drive, HDD) mit einem Solid-State-Speicher zu einem Gerät kombiniert, spricht man von einer Hybridfestplatte (engl. hybrid hard drive, HHD, bzw. solid-state hybrid drive, SSHD).
SSDs wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt, bis sie über Einzelanwendungen hinaus zum massenhaften Einsatz fähig wurden. Ihre Kosten waren anfangs im Verhältnis zur Speicherkapazität sehr hoch, verminderten sich aber ebenso wie die Baugrößen bei gleicher Leistung schnell entsprechend dem Mooreschen Gesetz, so dass sie um die Jahrtausendwende für spezielle Verwendungen auch wirtschaftlich rentabel wurden. Dennoch lagen die Preise für SSDs (in Euro pro Gigabyte) im Juli 2018 noch bei einem Mehrfachen des Preises eines herkömmlichen Magnetspeicher-Laufwerks. Anfang 2023 kostete eine SSD noch rund das Doppelte gegenüber einer konventionellen Festplatte gleicher Kapazität.
SSDs haben keine beweglichen Teile und sind daher unempfindlich gegen Stöße, Erschütterungen und Vibrationen. Sie haben außerdem wesentlich schnellere Zugriffszeiten sowie Datenübertragungsraten und arbeiten geräuschlos. Im Gegensatz zu Festplatten braucht eine SSD nach dem Start keine Anlaufzeit. Sie nimmt weniger Strom auf und produziert weniger Abwärme. SSDs können deutlich kleiner als entsprechende Speicher mit Magnetplatten gebaut werden. Ausfälle und Fehlfunktionen von SSDs werden mitunter durch Fehler in der Firmware verursacht, die bisweilen bis zur Markteinführung nicht ausreichend getestet und erst später durch Aktualisierungen nachgebessert wird. SSD-Speicherzellen unterliegen außerdem einer beschränkten Anzahl von Schreibzyklen, wohingegen die Lebensdauer konventioneller Festplatten hauptsächlich durch den Verschleiß mechanischer Teile begrenzt wird.
Begriff In der Elektronik bedeutet der englische Begriff „solid state“, dass Halbleiterbauteile verwendet werden. Dadurch unterscheiden sie sich von anderen Speichertechniken wie Kernspeichern, Lochkarten, Magnetspeicher oder optische Speicher, die zumeist mechanische Komponenten enthalten. In Analogie zu Laufwerktechniken wie HDDs, FDDs und ODDs wird das Medium als „Drive“ bezeichnet.
Entwicklung und Geschichte Frühe SSDs Solid-State-Drives haben ihren Ursprung in den 1950er Jahren mit zwei ähnlichen Techniken, dem Magnetkernspeicher und dem Charged Capacitor Read-Only Storage (CCROS), einer frühen Form des Festwertspeichers. Diese unterstützenden Speicherformen tauchten in der Ära der Elektronenröhren-Computer auf, durch das Aufkommen von günstigeren Trommelspeichern wurden sie aber dann wieder aufgegeben.
In den 1970er und 1980er Jahren wurden SSDs in Halbleiterspeichern der frühen Supercomputer von IBM, Amdahl und Cray implementiert, aufgrund ihres sehr hohen Preises aber selten verwendet. In den späten 1970er Jahren brachte General Instruments den Electrically Alterable ROM (EAROM, eine weitere Form des Festwertspeichers) auf den Markt, der mit der späteren NAND-Flash-Technologie große Ähnlichkeiten aufwies. Da die Lebensdauer dieser Speicher allerdings unter zehn Jahren lag, wurde die Technologie von vielen Unternehmen wieder aufgegeben. 1976 startete Dataram den Verkauf eines Produkts namens Bulk Core, welches bis zu 2 MB Solid-State-Speicher kompatibel mit Digital Equipment Corporation- (DEC) und Data-General-Computern (DG) lieferte. 1978 führte Texas Memory Systems ein 16-Kilobyte-RAM-Solid-State-Drive ein, welches von Öl-Förder-Unternehmen zur Aufzeichnung seismischer Daten verwendet werden sollte. Im darauffolgenden Jahr (1979) entwickelte StorageTek das erste RAM-Solid-State-Drive.
Der im Jahre 1983 eingeführte Sharp PC-5000 verwendete 128-Kilobyte-Solid-State-Kassetten, die mit Magnetblasenspeicher arbeiteten. 1984 wurde von der Tallgrass Technologies Corporation eine 40-MB-Backup-Einheit mit einem integrierten 20-MB-SSD vorgestellt, die alternativ auch als Laufwerk verwendet werden konnte. Im September 1986 machte Santa Clara Systems die BatRam bekannt: ein 4 MB großes Massenspeichersystem, das auf bis zu 20 MB expandiert werden konnte. Das System beinhaltete wiederaufladbare Batterien, um dem Chip auch Energie zuführen zu können, wenn der Stromfluss abbrach. 1987 verbaute die EMC Corporation erstmals SSDs in Mini-Computern, brach diese Entwicklung ab 1993 aber wieder ab.
Die Entwicklung von Festkörperspeichern nahm in den späten 90er Jahren eine entscheidende Wende. Anfangs waren sie teuer und auf Nischen- oder High-End-Anwendungen ausgerichtet. Mit der breiten Vermarktung von Digitalkameras, die mit der ersten wirklich tragbaren Digitalkamera, der Fuji DS-1P im Jahr 1988, begannHistory of digital cameras: From '70s prototypes to iPhone and Galaxy's everyday wonders und der Einführung der ersten CompactFlash-Karte von "Sun Disk" 199425 Years of CompactFlash: A Look Back at the Pioneering Format wurden großvolumige Verbraucheranwendungen populär. In den nächsten Jahren entwickelte sich die Solid-State-Speicherung in Form von Speicherkarten rasant und senkte die Kosten pro Mega/Giga-Byte drastisch.
Flash-basierte SSDs 1983 wurde der Psion MC 400 Mobile Computer mit vier Steckplätzen für Wechselspeicher in Form von Flash-basierten Solid-State-Disks ausgeliefert. Diese Steckplätze waren vom selben Typ, der bei der Psion Series 3 für Flash-Memory-Cards verwendet wurde. Diese Module hatten den großen Nachteil, dass sie jedes Mal formatiert werden mussten, um Speicher von gelöschten oder modifizierten Dateien freigeben zu können. Alte Versionen von Dateien, die gelöscht oder bearbeitet wurden, nahmen weiterhin Speicherplatz in Anspruch, bis das Modul formatiert wurde.
1991 brachte SanDisk ein 20-MB-Solid-State-Drive auf den Markt, welches für 1000 US-Dollar verkauft wurde. 1995 stellte M-Systems erstmals ein Flash-basiertes Solid-State-Drive vor, das keine Batterien benötigte, um die Daten zu erhalten. Allerdings war es nicht so schnell wie DRAM-basierte Lösungen. Von diesem Zeitpunkt an wurden SSDs erfolgreich als HDD-Ersatz von Militär- sowie Luft- und Raumfahrtorganisationen eingesetzt.
mini|Intel P3608 NVMe PCIe-SSD 1999 wurden von BiTMICRO einige Produkte im Bereich der Flash-basierten SSDs vorgestellt, unter anderem eine 18 GB große 3,5-Zoll-SSD. 2007 stellte Fusion-io eine PCIe-basierte SSD mit einer Performance von 100.000 IOPS in einer einzigen Karte mit einer Kapazität von bis zu 320 GB vor. 2009 wurde auf der Cebit ein Flash-SSD von OCZ Technology präsentiert, das bei einer Kapazität von einem Terabyte (unter Verwendung eines PCIe-x8-Interfaces) eine maximale Schreibgeschwindigkeit von 654 MB/s und eine maximale Lesegeschwindigkeit von 712 MB/s aufwies. Im Dezember des gleichen Jahres kündigte Micron Technology ein SSD an, das ein 6-Gigabit-SATA-Interface verwenden würde.
Enterprise-Flash-Speicher Enterprise-Flash-Speicher (Enterprise flash drives, EFDs, enterprise = für Unternehmen) wurden für Applikationen entworfen, welche eine hohe IOPS-Performance benötigen sowie zuverlässig und effizient arbeiten müssen. In den meisten Fällen ist ein EFD ein SSD mit einem umfangreicheren Satz an Spezifikationen, verglichen mit einem Standard-SSD. Der Begriff wurde von EMC erstmals im Januar 2008 verwendet, um SSD-Hersteller zu identifizieren, die Produkte mit diesen höheren Standards zur Verfügung stellten. Es gibt allerdings keine Standards oder Regeln, die EFDs und SSDs voneinander unterscheiden, weshalb im Prinzip jeder Hersteller angeben kann, EFDs zu produzieren.
2012 führte Intel die SSD DC S3700 ein – eine EFD, die darauf ausgerichtet ist, gleichbleibende Performance zu liefern. Diesem Feld wurde vorher nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt.
Verfahren mini|SO-SDRAM-Speicherchips
Zwei Arten von Speicherchips werden verwendet: Flash-basierte und SDRAMs.
Flash-Speicher sind besonders energieeffizient und stromunabhängig, wenn es um das Beibehalten des Inhalts geht. Herstellerseitig werden hier rund zehn Jahre versprochen.
SDRAM-Chips sind flüchtig und verbrauchen pro Gigabyte deutlich mehr Energie als eine konventionelle Festplatte. Ihr Vorteil liegt dafür in der deutlich höheren Geschwindigkeit. Mitte der 1990er Jahre auch als „RAM-Disks“ eingeführt, fanden sie von Anfang an Einsatz in Servern, wo auf ihnen Caches, temporäre Dateien und Journale von Datei-, Web-, Datenbank-Servern o. Ä. abgelegt wurden. Sie können als Steckkarte oder auch als Gerät mit emulierter Festplattenschnittstelle realisiert sein – oft mit einer Sicherungsbatterie oder eigenem Stromanschluss. Das Auffinden beliebiger Daten erfolgt 700-mal schneller als bei einer Festplatte. Gegenüber der Flash-Technik sind sie 80-mal so schnell. Ein zweiter Vorteil ist die festplattenähnliche, fast unbegrenzte Wiederbeschreibbarkeit; Flash-Chips sind hier auf 100.000 bis 5 Millionen Schreibzyklen begrenzt. Diese Beschränkung gilt für einzelne Flashzellen. Eine solche kann bei Verschleiß oft mittels S.M.A.R.T. automatisch gegen eine Reservezelle ausgetauscht werden.
Es liegt nahe, die Geschwindigkeit der SDRAMs mit dem Datenerhalt anderer Speichertypen – Festspeicher – zu verbinden. So integrieren manche Hersteller etwa auch eine konventionelle Festplatte in das Gehäuse der SDRAM-SSD, um beispielsweise bei einem Stromausfall eine Sicherheitskopie zu haben. Umgekehrt wurden in konventionelle Festplatten immer mehr SDRAM- und Flashchips als Zwischenspeicher (sog. „Cache“) eingebaut.
Einsatzgebiete Der Wegfall der empfindlichen Motorlagerung und Lese-Schreib-Mechanik der Laufwerke mit rotierenden Platten ergibt eine erhöhte Stoßfestigkeit. Auch die Temperaturtoleranz ist größer. Das betrifft sowohl den Temperaturbereich, in dem SSDs betrieben werden können, als auch die Toleranz hinsichtlich von Temperaturänderungen. Beide Punkte qualifizieren SSDs für den mobilen Einsatz. Am häufigsten finden sich flashbasierte SSDs daher in MP3-Playern und USB-Sticks. Wegen des zwischenzeitlich deutlich gesunkenen Preises pro GB sind sie mittlerweile auch in Notebooks üblich. Ein weiterer Vorteil besteht in der konstanten, im Vergleich zu rotierenden Platten sehr geringen Latenz im Zugriff auf die gespeicherten Daten. Während beim Zugriff auf Daten in physisch weit voneinander entfernten Sektoren auf einer Festplatte eine relativ lange Zeit benötigt wird, um den Lesekopf auf die neue Position (ähnlich einem Schallplattenspieler) zu bewegen, können bei einer SSD über die Adresse eines Datenblocks unabhängig vom vorher relevanten Block die enthaltenen Informationen gelesen bzw. geschrieben werden. Zusätzlich nehmen im Gegensatz zu Festplatten die sequentiellen Transferraten nicht ab, wenn man den Formfaktor verkleinert (bei Festplatten haben bei größeren Platten die äußeren Spuren einen größeren Umfang, dadurch haben dort mehr Daten Platz, und daher können pro Umdrehung mehr Daten gelesen werden). Hybridfestplatten und reine SSD-Modelle sind seit 2007 im Handel.