SSD’s gibt es in vielen Formen, Größen und Anwendungsbereichen. Hier geht es direkt um die Technologie SSD. Diese findet man nicht nur als PC-Laufwerk sondern auch eingebaut in Smartphones, Tablets und Speicherkarten.

Was ist SSD?

Wörtlich übersetzt handelt es sich bei einem Solid State Drive um ein Festspeicher-Laufwerk. Anders als bei Festplatten werden hier die Daten nicht auf, sich drehenden, Scheiben magnetisch gespeichert sonder elektrisch auf Halbleiter-Bausteinen. Den sogenannten Flash-Chips.

SSDs werden in vielen Bauformen angeboten. Technisch gesehen sind USB-Sticks, SDHC und CompactFlash Speicherkarten ebenfalls SSD Speicher. Dazu zählen auch die Flash-Speicher in vielen modernen Smartphones und Tablet Computern wie dem iPad.

Für Computer, Laptops und Netbooks gibt es SSD als Einzel-”Laufwerke” oder als Zusatz, eingebaut in herkömmliche Festplatten. Letzteres nennt man dann Hybridfestplatte oder kurz HHD.

Geschichte der SSD Technik

Nachdem IBM 1956 die erste echte Festplatte entwickelte (und vermietete) waren Massenspeicher viele Jahre auf Magnetscheiben begrenzt.

Seit 1995 konnte man erste SSD-Laufwerke der Firma MSystems erwerben. Die damals extrem hohen Preise beschränkten den SSD-Einsatz aber auf Spezialeinsatzzwecke und dem Militär.

2006 wagte Samsung den Vorstoß mit günstigeren SSD’s in den Endanwendermarkt zu drängen, 2007 folgten weitere Unternehmen. Seit dem nimmt die Entwicklung fahrt auf, Preise sinken und Speicherkapazitäten steigen immer schneller.

Mechanischer Aufbau

Eine SSD besteht im Gegensatz zu einer HDD aus viel weniger Bauteilen. Flash-Speicherchips und ein Controllerchip sind auf einer Leiterplatte angeordnet. Das ganze wird noch von einem Gehäuse geschützt. Die Größe der Leiterplatte bestimmt auch die mögliche Anzahl von Speicherchips und damit der möglichen Kapazität.

SSD und herkömmliche HDD im Größenvergleich. Foto von XaYaNa

Durchschnittliche Zugriffszeit

Zugriffszeiten von SSD’s werden nicht von mechanischen Bauteilen verlangsamt. Ein Flaschenhals kann der verwendete Datenbus sein, beispielsweise ist USB nur auf maximal etwas über 30 Megabyte pro Sekunde begrenzt. Schnellere Datenbusse wie SATA sind auf jeden Fall vorteilhaft.

Weitere Geschwindigkeitschübe kann durch mehr Kanäle im Controller-Chips erlangt werden. Damit können Daten auf mehreren Speicherchips paralel gelesen und geschrieben werden. SSD Festplatten erreichen heute bis zu 220 Megabyte pro Millisekund (lesen) und 95 Megabyte pro Millisekund (schreiben).

Logische Anordnung der Daten

Die Daten werden hier Bit-weise geschrieben. MLC-Zellen enthalten je 4 Bits und sind zu sogenannten Pages mit jeweils 4096 Byte Größe zusammen gefasst. Einzelne Pages können gelesen, aber nicht gelöscht werden. Zum Löschen werden die Pages nochmals zu sogenannten Erasable Blocks zusammengefasst. Diese sind 64 – 128 Pages groß und werden erst gelöscht wenn alle enthaltenen Bits veraltet sind.

Mit dieser Methode wird verhindert das die einzelnen Flash-Zellen zu oft gelöscht werden. Dadurch wird das Altern der Zellen verlangsamt.

Datenmenge / Speicherdichte

Die zunehmende Massenfertigung von SSD’s drückt den Preis und fördert die Entwicklung. Die Speicherkapazitäten werden sich unweigerlich vergrößern. Dies kann durch mehr Bits pro Speicherzelle, kleineren Speicherzellen und einer höheren Chip-Dichte pro Laufwerk erreicht werden. Trotz physikalischer Grenzen, wird fleißig an der Weiterentwicklung geforscht.

SSD Ausfallvorhersage

Wie bei HDD’s gibt es auch bei SSD’s das so genannte S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis And Reporting). Da je Zelle auf 10.000 (MLC) bzw. 100.000 (SLC) begrenz sind, muss auch hier die Alterung überwacht und klug verteilt werden. Die Ausfallvorhersage warnt wenn erste Reservezellen genutzt werden und schaltet das Laufwerk in einen Nur-Lese-Modus um Datenverluste zu vermeiden.

Weiterführende Links:

• Interne und externe SSD Festplatten bei Amazon
• SSD Vorteile
• SSDs für die breite Masse
• Video: Vorteile einer SSD im Vergleich zu einer HDD

Die folgende Aufzählung ist natürlich ein stark verkürzter Einblick in die Geschichte der Touchscreens. Viele Unternehmen haben an dieser Technologie geforscht und entwickelt. Interessant ist die Tatsache, dass die Idee des Touchscreens in den 50er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts entstand und erst 60 Jahre später Massen-tauglich wurde.

Stichpunkte zur Touchscreen Geschichte

• 1974 – erstes transparentes Touchdisplay, entwickelt von Dr. Sam Hurst in Amerika
• 1979 – 3M patentierte die Surface Capacitive Technology
• 1982 – Elo Touch Systems erfand die Resistive Touch Sensing Technology
• 1984 – Bob Boie entwickelte in den Bell Labs den ersten Multitouch Bildschirm

Konsumerprodukte, welche die Touch-Technik beflügelten:

• 1996 – Palm Pilot, der erste kommerziell erfolgreiche PDA mit Resistive Touchscreen
• 2004 – Nintendo veröffentlichte den Nintendo DS, ein Handheld Spielsystem mit zwei Bildschirmen, einer ist Druckempfindlich
• 2007 – Apple brachte das iPhone auf den Markt und krempelte damit die Smartphone-Welt um
• 2010 – Startete eine neue Ära der bis dahin erfolglosen Tablet PCs mit dem Apple iPad

Seit 2008 kommen ununterbrochen neue Geräte mit berührungsempfindlichen Bildschirmen auf den Markt. Darunter der Microsoft Surface Tisch (2007), der erste Multitouch Tablet PC von HP (2008) und der erste Multitouch All-in-One PC von Dell (2009).

Funktionsprinzipien

Resistive Touchscreens

Resistive Systeme reagieren auf Druck. Zwei dünne, elektrisch leitende, Schichten werden an einer Stelle zusammengedrückt. Der integrierte Prozessor errechnet anhand bestimmter Werte die genau Position der Druckstelle. Bedient werden Resistive Bildschirme meist mit speziellen Eingabestiften. Der technische Trick besteht darin die dünnen Metall-Layer weitgehend transparent zu halten um die darunterliegenden Bildinformationen preis zu geben.

Einsatzgebiete: Druckempfindliche Bildschirme wurden bei den ersten Tablet PCs eingesetzt, elektronische Organizer und PDA’s (Palm Pilot) nutzten diese Technik ebenso wie einige Smartphones (Nokia N97 und Nokia N900). Des weiteren wird diese Technik in vielen Navigations-, Haushalts- und Home-Entertainment Geräten (Nintendo DS) genutzt.

Kapazitive Touchscreens

Bei kapazitiven Systemen wird Glas mit einem durchsichtigen Metallsubstrat überzogen. Da jeder Mensch eine geringe elektrische Spannung besitzt, wirkt sich das Berühren eines kapazitiven Touchscreens auf dessen Elektromagnetisches Feld aus. Diese Technologie beugt vor schneller Ermüdung der eingebenden Hand vor, da kein Druck ausgeübt werden muss. Nachteil dieser Technik ist die fehlende Barrierefreiheit, denn Sie kann nicht mit künstlichen Handprothesen oder Handschuhen genutzt werden.

Einsatzgebiete: Die kapazitive Technologie fand erst seit dem Apple iPhone 2007 den Weg in die Verkaufsregale. Seit dem werden viele Touch- und Multitouch Smartphones mit dieser Technik bestückt. Darunter das Palm Pre, viele HTC Handys (Dream, Magic, Hero), das Motorola Milestone, das Samsung Galaxy und das Nexus One. Außerdem setzen viele der neuartigen Tablet PCs seit dem iPad 2010 auf kapazitive Touchscreens.

Induktive Touchscreens

Bei induktiven Touchscreens wird ein spezieller Eingabestift mit eingebauter Spule benötigt. Aus der Wechselwirkung der Spule mit dem elektrischen Feld des Bildschirms wird die Position errechnet. Die Eingabe mittels Finger ist hier nicht möglich. Genutzt wird diese Technik vor allem bei Grafiktabletts denn mithilfe der Induktion kann unterschiedlicher Eingabedruck erfasst werden (für Pinselstriche zum Beispiel).

Einsatzgebiete: Einige Tablet PCs setzten auf induktive Technik, außerdem wird sie von vielen Wacom Grafiktabletts genutzt.

Weitere Formen der Technik

Es gibt noch eine Hand voll weiterer Technologien um Berührungen zu erfassen. Darunter SAW (Surface Acoustic Wave), wo Ultraschallwellen über das Display geschickt werden. Treffen diese auf einen Finger, bzw. Eingabestift, werden Sie von Diesem absorbiert. Weitere Ansätze setzen auf optische Systeme die mit Infrarotlicht-Gittern die aktuelle Position der Eingabefinder erfassen.

Die Funkeinrichtungen sind spezielle WLAN-Netzwerkkarten mit einer kleinen Antenne, WLAN-PCMCIA Karten für Notebooks oder direkt integrierte WLAN-Module (wie bei vielen Notebooks, Netbooks und Smartphones).

Die Endgeräte verbinden sich mit einer zentralen und ortsfesten Zugangsstelle, dem Access Point. Dieser verbindet das Funknetz mit einem herkömmlichen LAN oder dem Internet. Um ein WLAN zu nutzen werden als mindestens ein Access Point und ein Endgerät mit Funkeinrichtung benötigt.

Achtung: Der oft statt WLAN fälschlicherweise benutzte Begriff Wi-Fi steht für die Wireless Fidelity Alliance, die wiederum Wireless-LAN Produkte nach ihren Richtlinien testet und bei Kompatibilität das Wi-Fi-Logo vergibt.

Für die Anmeldung einer Funkstation an einem Acces Point gibt es das Active Scanning und das Passive Scanning. Bei dem aktiven Scannen sendet die Funkstation einen Testrahmen aus, dieser wird von dem Access Point empfangen und er sendet eine Rückmeldung als Bestätigung. Genau andersherum funktioniert es bei dem passiven Scannen. Hier sendet der Access Point seinen Trägerrahmen und die Funkstation wartet, bis sie diesen empfängt.

Funk Standards

Wenn man von Wireless LAN spricht wird meistens von der Norm IEEE 802.11, daneben gibt es noch den DECT-Standard (Digitale Sprachdatenübertragung bei DECT Telefonen mit Basis und Mobilteil) und den alternativen Standard HIPER LAN.

Die ursprüngliche Norm für Funknetzwerke 802.11 wurde bereit 1997 verabschiedet und seit dem immer wieder erweitert und modifiziert. Man spricht zurzeit von drei etablierten Standards wobei im Handel aktuell (2010) am häufigsten Geräte der Norm 802.11g und 802.11n erhältlich sind.

Frequenzen und Datenraten

Frequenzen der Funkstandards

Datenraten der Funkstandards

Auch sollten mögliche zukünftige Erweiterungen des Netzwerks ohne aufwendige und teure Neuverkabelung möglich sein. Es ist also sinnvoll immer ein paar Anschlüsse mehr als nötig bereitzustellen.

Einige Empfehlungen für eine Standardisierte Verkabelungen enthält der internationale Standard ISO/IEC 11801 und die deutsche DIN EN 50173:2000. Unter Anderem sollten Verteiler, Anschlusseinheiten und Kabeltypen unternehmensweit festgelegt sein. Des Weiteren enthalten diese Normen generelle Empfehlungen zum Aufbau von Netzwerkstrukturen.

Die Empfehlungen der genannten Nomen beziehen sich auf Büroflächen bis zu 1 Million Quadratmeter oder 50000 Endgeräte bzw. auf eine Gelände Ausdehnung von bis zu 3 Kilometer. Zum bessern Überblick werden lokale Netze deshalb in drei Kategorien eingeteilt.

Primärbereich

Im primären Bereich werden zentrale Komponenten wie Standortverteiler und Gebäudeverteiler miteinander verbunden. Diese Netzwerke werden unter Umständen auch als Backbone bezeichnet. Sie müssen eine besonders starke Leistungsfähigkeit und Robustheit besitzen, da bei einer Unterbrechung oder einer Beschädigung ganze Teilsysteme oder das gesamte System ausfallen können. Hier wird sehr Häufig Lichtwellenleiter-Technik (LWL) und Funktechnik eingesetzt.

Sekundärbereich

Im sekundären Bereich werden Zentrale Verteiler zum Beispiel mit Etagenverteilern in Gebäuden verbunden. Hier kommen ebenfalls Lichtwellenleiter zum Einsatz, auch extra geschirmte CAT6 oder CAT7-Leitungen werden zur Datenübertragung genutzt. Zur flexiblen Anbindung verschiedenzahliger Endgeräte pro Etage werden oft Verteilerfelder (Patch Panels) unterschiedlicher Größe in den Etagen genutzt.

Tertiärbereich

Im tertiären Bereich werden schließlich einzelne Endgeräte oder Arbeitsstationen mit den Etagenverteilern verbunden. Hier kommen CAT5-Kabel (Unshielded Twistet Pair) und vorzugsweise CAT6-Kabel (Shielded Twistet Pair) zum Einsatz. Der Anschluss von Endgeräten erfolgt meisten mittels RJ-45-Steckern und Buchsen. Teilweise werden auch unterschiedliche Kabelfarben für die bessere Orientierung benutzt.

Die möglichen Übertragungsmedien lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Leitergebundene- und Leiterungebundene Medien. Bei ersterer Variante sind die Netzwerkgeräte mit einer physikalischen Leitung verbunden, bei Leiterungebundenen Medien erfolgt die Signalübermittlung mittels Kurz- und Langstreckenfunk.

Leitergebundene Übertragungsmedien

Diese Medien haben den Vorteil der hohen Datensicherheit und der schnellen Übertragungsgeschwindigkeit. Um in das Netzwerk eindringen zu können muss immer ein physikalischer Kontakt hergestellt werden. Die Geschwindigkeit resultiert aus den guten Abschirmungsmöglichkeiten und der dadurch entstehenden niedrigen Fehlerrate.

Jedoch entstehen durch eine Leitergebundene Netzwerkarchitektur erhebliche Kosten durch das verlegen der Kabel und für das Material selbst. Auch ist das Netzwerk kaum flexibel und kann nicht mobil betrieben werden.

Übersicht Leitergebundener Übertragungsmedien

• Kupferkabel
• Koaxialkabel
• Lichtwellenleiter

Nach DIN 44312-5 und EN50173 sind verschiedene Leitungstypen in sieben Kategorien eingeteilt worden.

Leiterungebundene Übertragungsmedien

Im Gegensatz zu Leitergebundenen wird bei den Leiterungebundenen Übertragungsmedien das Medium Luft zur Signalleitung genutzt. Dies bringt viele Vorteile mit sich, die Geräte könne zum Beispiel mobil genutzt werden und es ist keine aufwendige und teure Verkabelung nötig. Allerdings ist die Angreifbarkeit eines Funknetzes viel höher als bei fester Verkabelung. Daher ist die richtige Absicherung von Funkverbindungen mit entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen sehr wichtig.

Ein weiterer Nachteil ist die relativ geringe Übertragungsgeschwindigkeit dieser Übertragungsmedien. Durch Reflexionen störender Gegenstände wie Decken und Wände oder durch Atmosphärischer Störungen wie Unwetter und Regen kann die Verbindungsgeschwindigkeit zusätzlich schwanken.

Die Übertragung von Daten über sehr große Entfernungen wird zum Teil mit Richtfunkantennen und Lasertransmittern realisiert. Auch Satelliten werden zur digitalen Datenübermittlung genutzt.

Übersicht Leiterungebundener Übertragungsarten

• Funk (WLAN, DVB-T)
• Ultraschall
• Infrarot (Mäuse, Tastaturen)
• Laser (Lasertransmitter)

MR und GMR Sensoren

Um die Sektoren, die jeweils 512 Byte Speicherplatz einnehmen, auch lesen und beschreiben zu können schwebt in sehr geringer Höhe ein Schreib-Lesekopf über jeder Magnetscheibe. Dieser magnetisiert die Sektoren unterschiedlich und speichert so Daten. Jedoch konnte die bis Anfang der Neunziger Jahre verwendete MR (Magnetoresistance)-Lese-Technik bei der ständigen Erhöhung der Speicherdichte nicht mithalten. Die Hersteller entwickelten daher Leseköpfe mit der GMR (Giant Magnetorestiance)-Technologie, die ein viel stärkeres Lesesignal erzeugt um höhere Speicherdichten zu lesen.

Longitudinal Recording

Longitudinal Recording ist die Bezeichnung für die Art der Datenaufzeichnung. Hierbei werden die magnetischen Elemente wagerecht auf den Magnetscheiben ausgerichtet. Um höhere Datendichten und somit immer höhere Kapazitäten zu erreichen, versuchen die Festplattenhersteller den Bereich, den eine Dateneinheit benötigt, immer weiter zu verkleinern.

Jedoch stoppt eine physikalische Grenze die Jagt um mehr Speicherplatz, denn wenn die magnetischen Elemente zu eng aneinander gerückt werden entsteht der so genannte superparamagnetische Effekt. Dabei fangen die Datenbits an zu springen und verlieren Ihre magnetische Ausrichtung. Es kommt unweigerlich zum Datenverlust.

Perpedicular Recording

Aber auch hier haben Wissenschaftler und Ingenieure sich etwas Neues einfallen lassen. Perpedicular Recording heißt die Technik, die bisher ungeahnte Kapazitäten möglich machen soll. Im Gegensatz zum Longitudinal Recording werden die magnetischen Elemente nicht horizontal sondern vertikal ausgerichtet. Für die gleiche Menge an Daten wird nun viel weniger Raum benötigt.

TMR Sensor

Bis heute (2006) werden Festplatten mit GMR-Sensoren gebaut. Allerdings erreicht auch diese Methode langsam Ihre Grenzen und ist für Perpendicular Recording von vornherein ungeeignet. Zum lesen der immer enger aneinander liegenden Datenhappen wird eine stärkere Technologie benötigt. Und die gibt es bereits und wird schon seit einiger Zeit bei Notebookfestplatten von Seagate eingesetzt. TMR steht für Tunneling Magnetoresistance und kann Datendichten von weit über 100 Gbit pro Quadratzoll lesen. Mit GMR war es nicht möglich über diese Grenze zu kommen.

Das Perpedicular Recording Aufzeichnungsverfahren und der Schreib- Lesekopf mit TMR Technologie bilden die Grundlage für zukünftige Magnetspeicherlaufwerke. Zuerst wird es Notebookfestplatten und Microdrives mit höheren Kapazitäten geben, Desktopfestplatten mit Fassungsvermögen jenseits eines Terabytes folgen.

Weiterführende Beiträge zum Thema:

• Perpendicular Recording – Mehr Kapazität auf hdd-guide.de
• Festplatte Grundlagen