Einleitung

In diesem Beitrag geht es um den nichtflüchtigen Speicher (Festpeicher) für das Betriebssystem und die Musikfiles. Welche Speicher eignen sich am besten für welche Zwecke?

Bevor wir diese Frage erörten folgen als erstes Grundlagen zu den Speichertechniken.

Grundlagen*

Welche Speichermedien gibt es?

Eine kleine Historie: Vor der SSD-Festplatte (Solid State Disc) gab es HDD-Festplatten (Hard Disk Drive), die mit einem mechanischen Arm und Magnetplatten funktionieren. SSD-Technik läuft ohne diese Bauteile, daher sind die Formen deutlich kompakter, schneller und vor allem lautlos.

HDD-Festplatten (Hard Disk Drive)

Eine HDD ist eine magnetische Datenspeichertechnologie, die zur langfristigen Speicherung großer Datenmengen in Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet wird. Sie besteht aus mehreren rotierenden magnetischen Scheiben, die mit einer dünnen Schicht aus magnetischem Material beschichtet sind. Ein beweglicher Arm mit einem Lesekopf liest und schreibt Daten auf diese Scheiben.

Im Vergleich zu Solid-State-Laufwerken (SSDs) haben HDDs typischerweise höhere Latenzzeiten und niedrigere Bandbreiten. Dennoch bleiben HDDs aufgrund ihrer vergleichsweise niedrigeren Kosten pro Speicherkapazität weiterhin weit verbreitet, insbesondere für die Speicherung großer Datenmengen, bei denen schnelle Zugriffszeiten nicht unbedingt erforderlich sind.

SSD-Festplatte (Solid State Disc)

SSD verwendet Flash-Speicherchips anstelle von mechanischen Komponenten, um Daten zu speichern. Eine SSD besteht aus Flash-Speicherbausteinen, die ohne bewegliche Teile funktionieren.

Im Vergleich zu HDDs haben SSDs extrem niedrige Latenzzeiten. Dies liegt daran, dass SSDs auf nicht-mechanischen Speicherzellen basieren, was bedeutet, dass keine beweglichen Teile vorhanden sind, die sich bewegen müssen, um auf die Daten zuzugreifen.

USB-Flash-Laufwerke

USB-Flash-Laufwerke, auch als USB-Sticks oder USB-Flash-Laufwerke bezeichnet, sind kleine, tragbare Speichergeräte, die Flash-Speichertechnologie verwenden und über eine USB-Schnittstelle an Computer und andere Geräte angeschlossen werden können. Sie sind für ihre Benutzerfreundlichkeit, Mobilität und Vielseitigkeit bekannt.

Die Bandbreite und Latenzen von USB-Flash-Laufwerken können je nach verschiedenen Faktoren variieren, einschließlich der verwendeten USB-Spezifikation (z. B. USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1, USB 3.2 Gen 1, Gen 2 usw.) und der Qualität des Flash-Speichers im Stick.

SD-Karten (Secure Digital Cards) und microSD-Karten

SD-Karten (Secure Digital Cards) und microSD-Karten sind kleine, tragbare Speicherkarten, die in einer Vielzahl von Geräten wie Kameras, Smartphones, Tablets, tragbaren Spielkonsolen und anderen elektronischen Geräten verwendet werden. Sie bieten nichtflüchtigen Speicherplatz und verwenden Flash-Speichertechnologie für die Datenspeicherung.

Die Bandbreite und Latenz einer SD-Karte oder microSD-Karte hängt von der Qualität des verwendeten Flash-Speichers, der Schreib- und Lesevorgänge sowie der Kompatibilität mit dem Gerät, in dem sie verwendet wird, ab.

Welche Schnittstellenprotokolle gibt es?

SATA (Serial Advanced Technology Attachment)

SATA ist eine häufig verwendete Schnittstelle für den Anschluss von Festplattenlaufwerken (HDDs) und Solid-State-Drives (SSDs) an Computer. Es gibt verschiedene Iterationen wie SATA I, SATA II, SATA III, wobei SATA III die aktuellste und schnellste Version ist.

SATA verwendet oft kabelgebundene Daten- und Stromanschlüsse, die in verschiedenen Größen für unterschiedliche Geräte verfügbar sind.

eSATA ist eine externe Schnittstelle, die ähnlich wie SATA funktioniert, jedoch für den Anschluss externer Festplatten verwendet wird. Es bietet höhere Geschwindigkeiten im Vergleich zu USB 2.0, obwohl nicht so schnell wie USB 3.0 oder Thunderbolt.

SATA war lange Zeit die vorherrschende Schnittstelle für den Anschluss von Massenspeichergeräten in Computern aufgrund seiner einfachen Handhabung, seiner Zuverlässigkeit und seiner Verfügbarkeit. Allerdings hat NVMe (Non-Volatile Memory Express) aufgrund seiner höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und niedrigeren Latenzzeiten in den letzten Jahren in Bereichen mit anspruchsvollen Anwendungen und High-End-Computern an Bedeutung gewonnen.

NVMe (Non-Volatile Memory Express)

NVMe ist ein leistungsstarkes, effizientes und hochmodernes Schnittstellenprotokoll, das speziell für die Kommunikation zwischen dem Hostsystem (normalerweise dem Prozessor) und schnellen, nichtflüchtigen Speichergeräten wie Solid-State-Drives (SSDs) entwickelt wurde.

NVMe wurde entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von schnellen SSDs voll auszuschöpfen. Es nutzt das PCIe (PCI Express) Businterface, was eine erhebliche Steigerung der Datenübertragungsraten im Vergleich zu älteren Protokollen wie SATA ermöglicht. NVMe bietet im Vergleich zu älteren Standards wie SATA deutlich niedrigere Latenzzeiten. Diese geringe Latenzzeit ermöglicht schnellere Datenzugriffe und schnellere Reaktionszeiten, was insbesondere in rechenintensiven Anwendungen und Workloads von Vorteil ist.

NVMe wurde entwickelt, um die Besonderheiten und Vorteile von Flash-Speicher effizienter zu nutzen. NVMe-basierte SSDs sind oft in Formfaktoren wie M.2-Karten oder als PCIe-Erweiterungskarten verfügbar. Diese SSDs werden direkt an den PCIe-Steckplatz des Motherboards angeschlossen, was Platz spart und die Installation erleichtert.

Welche Speicher-Formfaktoren gibt es?

Neben den USB-Sticks und Speicherkarten, die jeder kennt, gehe ich hier nur auf die Besonderheiten im Audio PC ein.

PCI Express (PCIe)

PCIe ist eine leistungsstarke Schnittstellentechnologie, die in modernen Computern für die Anbindung von Hochleistungs-Solid-State-Drives (SSDs) wie NVMe (Non-Volatile Memory Express) verwendet wird. NVMe nutzt PCIe und bietet sehr hohe Übertragungsraten im Vergleich zu SATA-basierten Laufwerken.

PCIe-Anschlüsse kommen in verschiedenen physischen Formfaktoren, einschließlich x1, x4, x8, x16 und x32, wobei die Zahlen die Anzahl der verfügbaren Lanes angeben. Die x1-Steckplätze sind für kleinere Erweiterungskarten wie Soundkarten oder Netzwerkkarten geeignet, während x16-Steckplätze oft für leistungsfähigere Komponenten wie Grafikkarten verwendet werden. Die im fis Audio PC favorisierte Hochleistungsnetzwerkkarte Solarflare X2522 benötigt einen X8 Steckplatz und hebt sich mit geringsten Latenzen und Jitter von den gängigen Netzwerkkarten ab.

M.2

M.2 ist ein Formfaktor, der mit PCIe oder SATA Schnittstellen verbunden sein kann und in vielen modernen Laptops und Motherboards für den Anschluss von SSDs verwendet wird. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise und schnelle Datenübertragungsraten.

Üblich ist ein Formfaktor (also die Größe der SSD-Karte) von 2280, dass bedeutet eine Breite von 22 mm und einer Länge von 80 mm. Alle M.2-SSDs passen in M.2-Sockel auf Systemplatinen. Der M.2-Formfaktor führt zu mehr Leistung bei kleinerem Platzbedarf und ist die Zukunft für den technischen Fortschritt bei SSDs. Zudem sind weder Strom- noch Datenkabel erforderlich und somit auch keine Kabelführung!

Welche Speicherzellentypen gibt es?

NAND

NAND ist eine Abkürzung für „NOT AND“ und bezieht sich auf eine logische Schaltung in der Digitaltechnik. NAND ist eine der grundlegenden logischen Gatterarten in der elektronischen Schaltungstechnik.

Ein NAND-Gatter ist ein digitaler Schaltkreis, der aus mehreren Transistoren besteht und eine logische Operation ausführt, die das Gegenteil der „AND“-Operation darstellt. Es hat zwei oder mehr Eingänge und gibt einen Ausgang basierend auf der Negation der „AND“-Operation zurück. Das bedeutet, dass das NAND-Gatter „WAHR“ (logisch 1) ausgibt, es sei denn, alle Eingänge sind „WAHR“, in diesem Fall gibt es „FALSCH“ (logisch 0) zurück.

In der Speichertechnologie bezieht sich NAND speziell auf eine Art von Flash-Speicher, der in vielen nichtflüchtigen Speichergeräten wie Solid-State-Drives (SSDs), USB-Flash-Laufwerken, Speicherkarten und anderen Speichergeräten verwendet wird.

Speicherzellen 1 Bit (SLC), 2 Bit (MLC), 3 Bit (TLC) oder 4 Bit (QLC)

Speicherzellen können mit 1 Bit (SLC), 2 Bit (MLC), 3 Bit (TLC) oder gar 4 Bit (QLC) Bit beschrieben werden. Mehr Bit an Informationen haben den Vorteil, das weniger Speicherchips für dieselbe Speicherkapazität benötigt werden. Das senkt die Kosten und macht mittlerweile Endkunden-SSDs im Standardformat mit bis zu 8 TB Kapazität möglich.

Mehr Bits haben aber auch gravierende Nachteile: die Schreibleistung und die Haltbarkeit sinken. Hinzu kommen Berichte, wonach sich Mehrbit-Speicherzellen schlechter anhören.

Im Bild unten sind die Vorteile von 1 Bit (SLC) klar zu erkennen:

• Geringerer Stromverbrauch und dadurch rauschärmer
• Geringste Latenzen = größere Verarbeitungsgeschwindigkeit
  Verdoppelt sich für jeden Bit pro Zelle, so wie es auch bei der Energie geschieht.
• Geringere Latenzen bedeuten auch geringerer Jitter.
• Sehr lange Haltbarkeit
• Weniger Fehler
  Die Fehler nehmen für jeden Bit pro Zelle zu und damit die Menge an Error Correction Code im SSD-Controller.

Der Nachteil liegt in den zum Teil exorbitant hohen Preisen.

3D XPoint Speicher (Intel Optane)

3D XPoint ist eine von Intel und Micron Technology entwickelte, im Juli 2015 vorgestellte und im Juli 2022 abgekündigte Bauart nichtflüchtiger Datenspeicher. Im Vergleich zu NAND-Flash-Speicher hat 3D XPoint eine geringere Speicherlatenz und lässt sich häufiger überschreiben. Die Optane SSD verwendet die NAND-Technologie nicht, aber in Bezug auf die Bits pro Zelle ist sie ähnlich wie die SLC SSD. 

Die Technologie basiert auf der Veränderung des elektrischen Widerstands und hat eine räumliche Gitterstruktur. Die Speicherchips kommen ohne Feldeffekttransistoren aus, was eine höhere Integrationsdichte ermöglicht.

Intel hat zur großen Verwirrung beigetragen, da es unterschiedliche Optane-Speicher für unterschiedliche Zwecke gibt. Optane kann durch ein kleines Cache-Laufwerk dargestellt werden, das in Verbindung mit einem langsameren Speichergerät wie einer herkömmlichen SATA-Festplatte gebraucht wird. Solcher Cache kann in ein Hybrid-Speicher-Modul integriert werden und dort ein größeres NAND-basiertes Solid-State-Laufwerk ergänzen. Diese Lösung erforderte einen tiefen Eingriff in den Maschinenraum (BIOS) des Computers und zusätzlich eine aufwändige Treiberkonfiguration.

Zudem kann Optane als schnelles eigenständiges Laufwerk zum dauerhaften Speichern verwendet werden. Diese Lösung funktionert wie jede andere SSD auch. Einfach im Motherboard anschließen und die SSD wird automatisch erkannt. Sehr geeignet für Betriebssysteme. Wir bieten für den fis Audio PC folgende Intel Optane SSDs im Format M.2/80 mm an:

• Intel® Optane™ Arbeitsspeicher der Produktreihe M10 16 GB, M.2/80 mm, PCIe 3.0, 20 nm, 3D XPoint™ zum Beispiel geeignet für HQPlayer OS (Restbestände – Produktion eingestellt)
• Intel® Optane™ SSD der Produktreihe P1600X 118 GB, M.2/80 mm PCIe* 3.0 x4, Intel® 3D XPoint™ zum Beispiel geeignet für Windows 11 Pro (Restbestände – Produktion eingestellt)

Und schließlich gibt es speicherorientierte Optane-Produkte, die neben DRAM-Modulen eingesetzt werden. Diese Lösung wurde meines Wissens am wenigsten genutzt, da Arbeitsspeicher immer preiswerter wird.

Speicherlatenzen

Warum Latenzen in Audio PCs so wichtig sind habe ich hier beschrieben: Audio PC Latenzen. Geringste Latenzen bedeuten automatisch weniger Jitter!

Bei den Latenzen zeigen sich deutliche Unterschiede. Während sich im Bild unten die CPU mit ihren L1-L3 Cache und der Arbeitsspeicher an der Spitze (links) befinden, liegt ein Intel Optane (PCIe) Speicher mit 10 µs deutlich vor einer NAND (SATA) SSD mit bis zu 1 000 µs (1 ms).

Speicher im Audio PC

Auswahlkriterien

Im fis Audio PC lege ich großen Wert auf den richtigen Einsatz der unterschiedlichen Speichermedien. Denn das Betriebssystem hat andere Anforderungen an den Speicher, als die Mediadaten.

Speichergröße

Beim Betriebssystem wie Windows 11 Pro sollen mindestens 100GB verwendet werden. Beim HQPlayer OS reichen stattdessen 16GB.

Bei den Mediadaten hängt es natürlich von der eigenen Musiksammlung ab. Als Faustformel gilt hier ein Speicherbedarf von 500 MB pro CD im Dateiformat FLAC. Demnach ergibt sich für einen 1 TB großen Datenträger ein Speichervolumen von 2.000 CD’s oder ca. 30.000 Titeln.

Formfaktor

Das beste Kabel ist kein Kabel. Wer diesen Grundsatz beherzigt, investiert lieber in keine teuren SATA Kabel, sondern nutzt gleich die Formfaktoren M.2 und PCIe. Hinzu kommt, dass beide Anschlussarten oft eine direkte Anbindung an die CPU ermöglichen und keinen Umweg über den Chipsatz machen.

Rauschfreiheit

Alle Speichermedien erzeugen elektromagnetisches Rauschen. Dieses gilt es gering zu halten. Wer SATA Speicher verwendet, darf sich neben den ungünstig hohen Latenzen auch noch über das Rauschen des SATA Controllers freuen. Die SATA Kabel führen an hochfrequenten Bauteilen vorbei und können das Rauschen noch verstärken.

Zwar ermöglicht der fis Audio PC Anschlussmöglichkeiten von SATA. Ich rate jedoch dringend davon ab. Im fis Audio PC wird der SATA Controller standardmäßig deaktiviert.

Speicherzellen mit 1 Bit (SLC) oder 3D XPoint benötigen weniger Energie und sind daher rauschärmer als andere Speicherzellentypen.

Haltbarkeit

In der Regel geben Hersteller eine Schätzung mit den so genannten Terabyte(s) written (TBW) ab. Also der maximal möglichen Schreibrate bis zum Ausfall. Die sind auch beim Speichertyp QLC schon so großzügig bemessen, dass eine Haltbarkeit von 5 Jahren (oft die auf TBW eingeschränkte Herstellergarantie) und länger sehr wahrscheinlich ist.

Speicher für das Betriebssystem

Wer die haltbarsten SSD Speicher mit geringsten Latenzen nutzen will, der nimmt die NAND Speicher vom Typ SLC. Hier bieten sich die Intel Optane Serien an, die mit 3D XPoint ähnlich funktionieren. Leider werden sie nicht mehr produziert, aber es gibt noch Restbestände.

Für ein schankes Betriebssystem wie das HQPlayer OS bietet sich der Intel® Optane™ Arbeitsspeicher der Produktreihe M10 16 GB, M.2/80 mm, PCIe 3.0, 20 nm, 3D XPoint™ an. Die sequenziellen Lesezugriffe (bis zu) 900 MB/s und die sequenziellen Schreibzugriffe (bis zu) 150 MB/s sind nicht berauschend. Aber auf die Transferraten kommt es beim Betriebssystemzugriff weniger an, sondern auf die Verarbeitungszeit. Die Lesezugriffslatenz liegt bei sehr niedrigen 7 µs und die Schreibzugriffslatenz bei niedrigen 18 µs. Für größere Betriebssysteme wie Windows 11 Pro reichen 16 GB nicht aus. Für diesen Zweck bietet sich die Intel® Optane™ SSD der Produktreihe P1600X 118 GB, M.2/80 mm PCIe* 3.0 x4, Intel® 3D XPoint™ an.

Speicher für Mediadaten

Als Lösung drängt es sich vordergründig auf die Musikfiles direkt auf dem Audio PC abzuspeichern und abzuspielen. Es muss nur ein Gerät untergebracht werden und je näher die Quelle ist, desto besser könnte es klingen. Wer die beste Qualität haben will, muss tief in die Tasche greifen.

Bei den Mediadaten können die großen Intel Optane Serien verwendet werden. Nur sind die leider sehr teuer, siehe Auswahl auf Geizhals.de: Festplatten & SSDs » Solid State Drives (SSD) mit Kapazität ab 1TB, Speicherzellen-Typ: SLC (1 Bit pro Zelle).

Es gibt Hersteller, welche eine herkömmliche NAND SSD mit TLC Speicherzellen als Pseudo-SLC SSD modifizieren. Dadurch wird der Speicherplatz um ein Drittel reduziert. Der Hersteller Zzyzx ermöglicht sogar noch eine externe (lineare) Stromversorgung und hat eine Femto Clock auf die Platine montiert. Kein billiges Vergnügen.

Es ist meines Erachtens sinnvoller für deutlich weniger Geld in ein hochwertiges NAS zu investieren. Dort können dann preisgünstige moderne QLC-SSDs montiert werden. Einen guten Anhaltspunkt bieten Tests von zum Beispiel ComputerBase Bestenliste: SSD-Kaufberatung.

Hinzu kommt meine eigene Erfahrung. Den besten Klang erzielte ich bisher mit einer klaren Trennung zwischen Audio PC und dem Control PC (Music Server – NAS). Der mutmaßliche Grund liegt darin, dass ein Musikplayer wie z. B. Roon ständig mit dem Internet die Metadaten abgleicht und die Festplatten fortwährend nach neuer Musik absucht. Starke Festplattenaktivitäten sind natürlich auch beim eigentlichen Abspielen zu verzeichnen. Es schleichen sich im Hintergrund schnell elektronisches Rauschen und Interrupts ein, welche die typischen digitalen Schärfen und ein anämisches Klangbild ergeben. Siehe auch Grundlagen Audio PC & Control PC.

Der Control PC kann als NAS (Network Attached Storage) dargestellt werden, über den per Netzwerk zugegriffen wird. Ein NAS kann deshalb irgendwo im Keller stehen. NAS von z. B. QNAP oder Synology sind je nach Ausgestaltung preisgünstig und beliebt. Wer sich nicht auf eine proprietäre Software einlassen will und mehr Rechenleistung benötigt oder das NAS in der Nähe der Anlage betreibt, schafft sich etwas Lüfterloses wie zum Beispiel von Cirrus7 oder HFX an.

Unten im Bild wird als Control PC für die Steuerung und Verwaltung der Musik ein NAS mit dem Roon Core eingesetzt. Für die Musikwiedergabe wird der Audio PC genutzt und dieser rendert mit dem HQPLayer die Daten in bester Auflösung und sendet sie störungsfrei an den DAC.

Zusammenfassung

Speicher ist nicht gleich Speicher. Und es kommt auf den Einsatzzweck an. Für das Betriebssystem verwendest du am besten kleine Intel Optane SSDs mit 3D XPoint, die ähnlich wie 1 Bit (SLC) Speicherzellen funktionieren. Den diese rauschärmer und bieten den schnellsten Speicherzugriff mit geringsten Latenzen und Jitter und sind lange haltbar.

Für eine direkte Anbindung an die CPU unter Umgehung des Chipsatzes auf dem Motherboard empfehle ich die Formfaktoren M.2 und PCIe. Diese haben keine Kabel und werden direkt an das Motherboard angeschlossen.

Für deine Mediathek sind höhere Speicherkapazitäten erforderlich. Anstatt die Speicher im Audio PC mit zu verbauen empfehle ich stattdessen die Nutzung eines Control PCs, der auch ein NAS sein kann.

Vermeide SATA Festplatten, denn diese sind nicht nur extrem langsam, sondern erzeugen tendenziell mehr Rauschen.

Manche schwören auf USB-Sticks oder sogar auf SD-Karten, weil letztere besonders rauscharm sein sollen. Ich halte diese Speichermedien für sehr fehleranfällig und langsam. Und sie lassen sich auch nicht direkt an die CPU anbinden. Ich empfehle sie deshalb nicht.