Speicherbausteine ohne Transistor [Gesponsert]

3D XPoint schließt Lücke zwischen Massen- und Arbeitsspeicher

(Bild: jamesteohart - stock.adobe.com)

Bisherige Storage-Technologien kommen mit der Datenflut nicht mehr mit. Der Abschied vom klassischen Transistor bei Intels 3D XPoint-Technologie ermöglicht einen technologischen Quantensprung.

Immer öfter werden heute Datenanalysen verwendet, um Produktions- und Geschäftsprozesse echtzeitnah zu steuern, beispielsweise in IoT (Internet-of-Things)-Umgebungen oder mit Industrie-4.0-Konzepten komplett automatisierter Fabriken, aber auch beim Internet-Business. Da gleichzeitig die Datenmengen rasant steigen, wachsen die Anforderungen an die Geschwindigkeit der Datenspeicher erheblich. Traditionelle Speichertechnologien sind diesen Anforderungen nicht mehr gewachsen, sie sind schlicht nicht mehr schnell genug. Das gilt sogar für die derzeit schnellste klassische Speichertechnologie auf Transistorbasis, 3D-NAND und alle potentiellen Transistor-basierenden Nachfolger.

Etwas anderes muss also her. Das hat Intel frühzeitig erkannt. Das Unternehmen investierte in die Entwicklung einer alternativen Speichertechnologie: 3D XPoint.

Was kennzeichnet 3D XPoint? Vor allem verabschiedet sich die Technologie vom Transistor als Verbindungselement. Um die einzelnen Speicherzellen zu verschalten, verwendet 3D XPoint eine dreidimensionale Kreuzmatrix, die alle Speicherzellen übergreifend untereinander verschaltet. Die Speicherzellen speichern Daten nach wie vor auf unterschiedlichen Volt-Leveln von Floating Gates, verwenden als physikalische Basis jedoch einen anderen Werkstoff als bisher – welchen, ist ein patentiertes Betriebsgeheimnis. Logik und Speicherzellen werden aus demselben Material gefertigt, was den Fertigungsprozess vereinfacht und verbilligt.

Mehr Geschwindigkeit von Anfang an

Welche Vorteile bringt diese Technologie? Der wohl wichtigste Fortschritt gegenüber Transistor-getragenen Designs ist mehr Geschwindigkeit. Gemessen wird sie als Leistung bei einer bestimmten Queue Depth (QD). QD beschreibt die Menge an Datenblöcken, die zwischen Applikation und Verarbeitung zwischengespeichert werden, während andere Datenblöcke bereits im Speichersystem verarbeitet werden. QD wirkt also als Datenpuffer und verhält sich umgekehrt proportional zur abrufbaren Leistung eines dahinter geschalteten Speichersystems. Besonders leistungsfähige Speichersysteme müssen daher besonders bei niedriger Queue Depth vergleichsweise große Leistungen erbringen. Zudem bestimmen bei der alltäglichen Arbeit mit Computern nicht hohe QD-Werte größer 20 oder 25 das Bild, sondern es dominieren weit geringere QD-Werte, die durchaus im einstelligen Bereich liegen können. Besonders leistungsstark ist also ein Speichersystem, das schon bei geringen QD-Werten hohe Leistungen bringt und diese über das gesamte QD-Spektrum beibehält.

Gerade bei kleinen QD (Queue Depth) -Werten, wie sie im Computer-Arbeitsalltag vorherrschen, zeigen konventionelle Speichermedien – von der Festplatte bis zur 3D-NAND-SSD – gegenüber 3D XPoint erheblich schlechtere Leistungen. Sie brauchen eine längere Anlaufphase, während 3D XPoint sofort höchste Leistung bringt.
Gerade bei kleinen QD (Queue Depth) -Werten, wie sie im Computer-Arbeitsalltag vorherrschen, zeigen konventionelle Speichermedien – von der Festplatte bis zur 3D-NAND-SSD – gegenüber 3D XPoint erheblich schlechtere Leistungen. Sie brauchen eine längere Anlaufphase, während 3D XPoint sofort höchste Leistung bringt. (Bild: Intel)

Genau das ist bei 3D XPoint der Fall: Weil 3D XPoint bei einer sehr viel geringeren Queue Depth als andere Speichermedien schon hohe Leistungen erreicht (siehe Grafik), die volle Leistung also sehr schnell verfügbar macht, sind Lösungen mit 3D XPoint-Speichertechnologie schon am Start erheblich schneller und behalten ihre hohe Leistung dann über den gesamten Arbeitsbereich bei. Andere Medien brauchen eine erheblich längere Anlaufphase und leisten auch insgesamt weniger.

Mehr Haltbarkeit

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein 3D XPoint-Speicher erheblich öfter beschrieben werden kann, also eine größere Haltbarkeit (Endurance) ausweist. Der entsprechende Kennwert DWPD (Drive Writes per Day) beschreibt, wie oft das gesamte Speichervolumen täglich beschrieben werden könnte, wenn das 3D XPoint-Speichermedium fünf Jahre halten soll. Garantiert wird aber die Zahl der Schreibvorgänge, nicht eine zeitliche Lebensdauer. Überschreitet eine schreibintensive Anwendung ständig den DWPD-Wert, werden die Speichermedien nicht fünf, sondern weniger Jahre halten.

Ausgehend von einer Einsatzdauer von fünf Jahren schaffen heutige Hochleistungs-3D-NAND-Lösungen fürs Rechenzentrum einen DWPD-Wert von 10 – den erreichen 3D XPoint-Produkte schon bei Workstation-Lösungen wie der Intel SSD P900-Serie. Das Rechenzentrumsmodul Intel SSD DC P4800X schafft dagegen einen DWPD-Wert von 30 und dringt so in vollkommen neue Leistungsbereiche vor.

3D XPoint zusammen mit NVMe unterstützt Parallelverarbeitung

Durch seine technologischen Merkmale ermöglicht 3D XPoint eine erheblich höhere Gesamtauslastung von Servern. Denn 3D XPoint schließt die Leistungslücke, die bisher zwischen den schnellen DRAM-Chips im Memory und dem auf traditionellen oder SSD-Speichermedien klaffte. Dadurch fallen Verzögerungszeiten beim Warten auf den Massenspeicher weg.

Dazu kommen weitere Geschwindigkeitsvorteile durch das Übertragungsprotokoll NVMe (Non-volatile Memory Express). NVMe ist, anders als bisher gängige Protokolle für den Speicherzugriff, etwa SAS oder SATA, besonders für den parallelen Speicherzugriff entwickelt worden. Das Protokoll erlaubt bis zu 65535 Ein-/Ausgabekanäle für den parallelen Speicherzugriff, von denen jeder 65535 Einträge haben kann. So wird die parallele Verarbeitung von Daten bis direkt zum Speicher hin möglich. Das hilft besonders Multicore-Prozessoren, ihre vollen Leistungsressourcen auszuschöpfen. Bisher wurden sie dadurch ausgebremst, dass sie wegen der fehlenden Parallelverarbeitung der bestehenden Speicherzugriffslösungen häufig auf Daten respektive Speicherzugriffe warten mussten – in diesem Zustand verbrachten sie bis zu 90 Prozent der verfügbaren Rechenzeit. Damit ist durch die Kombination von 3D XPoint und NVMe Schluss. Sie schafft gegenüber älteren Speichermedien und Protokollarchitekturen einen unschlagbaren Geschwindigkeitsvorteil.

3D XPoint ist zukunftssicher und schützt bestehende Investitionen

Geplant ist ein sich stetig vergrößertes Spektrum ständig verbesserter 3D XPoint-Produkte – von der Erweiterung des schnellen DIMM-Arbeitsspeichers über direkt an den Prozessor angebundenen Storage mit PCIe-Schnittstelle bis zum Ersatz der Festplatte für alle Rechnergrößen und im Embedded-Bereich. Bestehende Systeme können mit 3D XPoint-Modulen nachgerüstet werden. Denn sie verwenden standardisierte Formfaktoren und Schnittstellen, um die Technologie möglichst breit zugänglich zu machen. Das bedeutet für die Anwender Investitionsschutz und Zukunftsfähigkeit.

Die Architektur von 3D XPoint. Deutlich erkennbar die dreidimensionale Kreuzmatrix (3DX), die alle Speicherzellen miteinander verbindet.
Die Architektur von 3D XPoint. Deutlich erkennbar die dreidimensionale Kreuzmatrix (3DX), die alle Speicherzellen miteinander verbindet. (Bild: Intel)

Zu diesen Eigenschaften kommen die schon erwähnten Geschwindigkeitsvorteile, die sich in allen Applikationen des Profi-Bereichs zeigen. Ob beim Storage-Zugriff, softwaredefinierter Speichertechnologie, Virtualisierung, der Verarbeitung von Datenbanken oder dem Hochleistungs-Computing – überall erschließt 3D XPoint völlig neue Leistungsdimensionen. Integratoren wie Thomas-Krenn bieten bereits Produkte an, die sich diese Fähigkeiten zunutze machen.

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