Die Geschichte des Flash-Speichers – Teil 1

Armseliger Start, große Zukunft

| Autor / Redakteur: Dr. Dietmar Müller / Dr. Jürgen Ehneß

In Teil 1 unserer Flash-Historie blickt Dietmar Müller zurück auf die Anfänge.
In Teil 1 unserer Flash-Historie blickt Dietmar Müller zurück auf die Anfänge. (Bild: ©vladimircaribb - stock.adobe.com)

Zum Auftakt unserer neuen Rubrik „Im Fokus: Flash-Storage“ wirft unser Autor Dr. Dietmar Müller mehr als nur einen flüchtigen Blick zurück auf die Anfänge der Speichertechnologie, die den ehemals allenthalben rotierenden HDDs seit Jahren ernstzunehmende Konkurrenz macht. Teil 2 unserer Flash-Historie beschäftigt sich dann mit dem gegenwärtigen Stand.

Die Gegenwart war einmal die Zukunft. Und manch kluger Kopf kannte sie. Ich weiß noch, es war 2007 oder 2008, als mir der damalige CEO von Netapp Dan Warmenhoven darlegte, dass Flash im Unternehmen die Zukunft gehört. Und Software. Wie recht er doch hatte!

„Ich bin überzeugt, dass Flash-Speicher die Festplatten bald ersetzen werden“, so Netapp-CEO Warmenhoven damals klipp und klar. „Solid State Disks kommen ohne mechanische Komponenten aus, daher glaube ich, dass sich bis zum Jahr 2012 die Flash-Memory-Technologie durchsetzen wird. Bis dahin stimmt auch die Performance für große Speicherumgebungen. Ich bin überzeugt, dass Flash-Speicher die Festplatten bald ersetzen werden.“

Wir erinnern uns: Damals war gerade „der Finanzsektor an die Mauer gefahren“, und die Unternehmen der IT-Branche inklusive Netapp „saßen auf dem Beifahrersitz“, so Warmenhoven. Aber sowohl die Finanzbranche als auch die IT haben sich prächtig erholt. Und Flash geht es tatsächlich so gut wie noch nie; Warmenhoven hat da vollkommen richtig gelegen.

Und damit zum Klassiker aller Fragen: Wie konnte es so weit kommen? Nennen wir vielleicht einige Vorteile von Flash: Das Speicherverfahren ist „ultraschnell“, Daten werden damit mit hoher Geschwindigkeit geschrieben, I/O-Vorgänge blitzschnell durchgeführt. Flash-Speicher ist zudem nichtflüchtig und benötigt keinen Strom, um die Integrität gespeicherter Daten aufrechtzuerhalten. Daher kommt es selbst bei einem Stromausfall nicht zu Datenverlusten.

Vom Stick zum Array

Flash-Storage kann zudem unterschiedliche Formen annehmen: von einfachen USB-Sticks bis zu All-Flash-Arrays der Enterprise-Klasse. Mit einer 20-mal höheren Performance im Vergleich zur Festplattentechnologie wird Flash zum Herrn über gängige Enterprise-Applikationen, Analytics und Datenbankabfragen.

Mit der Entwicklung von Flash-Technologien mit hoher Dichte bieten die heutigen All-Flash-Storage-Lösungen darüber hinaus höhere Performance und Kapazität bei deutlich gesunkenem Platzbedarf im Datacenter. Und zu guter Letzt wird Flash als Basistechnologie der digitalen Transformation betrachtet – durch und mit Software-Defined Storage (SDS) hat die Software erst ihren Siegeszug durch das Rechenzentrum angetreten.

Definition All-Flash-Arrays sind anstelle klassischer rotierender Festplatten ausschließlich mit nichtflüchtigem NAND-Flash in Form von SSDs oder proprietären Modulen bestückt. Mit Flash ausgestattete, häufig auch als Solid-State-Arrays oder kurz SSAs bezeichnete All-Flash-Arrays schreiben und lesen große Datenmengen gegenüber rein HDD-basierten (Hard Disk Drive) oder hybriden Storage-Systemen deutlich schneller.

So weit die heutige Lage. Wie immer sieht der Durchbruch einer Technologie quasi selbstverständlich aus. War er aber natürlich nicht, der technologische Fortschritt hätte auch einen anderen Weg einschlagen können.

Gründungsmythos

Blicken wir zurück auf die Anfänge – für eine Geschichte des Flash-Bausteins muss man richtig tief graben: In den frühen 1970er-Jahren gab es dann erste Anstrengungen, elektrische, nicht flüchtige Speicher für Computer zu entwickeln. Erste Forschungsergebnisse wurden 1971 von Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi und Kiyoko Nagai von Electrotechnical Laboratory des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology mit Sitz in Tokio auf der dritten Conference on Solid State Devices präsentiert; ein Jahr später fertigten sie den ersten EEPROM-Prototypen (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), der später zu Flash weiterentwickelt wurde. Wie genau die verschiedenen Flash-Techniken im Detail funktionieren und wo ihre jeweiligen Stärken und Schwächen liegen erklärt ein ausführliches Whitepaper von Storage-Insider.

Einer auch auf Wikipedia verbreiteten Anekdote nach erfand 1980 Shoji Ariizumi aus dem Team von Fujio Masuoka in den Entwicklungslabor von Toshiba den Ausdruck „Flash“ für die EEPROM-Technologie, weil er „durch den blockweise arbeitenden Löschvorgang des Speichers an einen Blitz einer Kamera erinnert“ worden sei.

Die frühen Jahre

1975 hatte die Halbleitersparte von NEC den Markennamen EEPROM beim japanischen Patentamt angemeldet. Im Februar 1977 verbesserte sie Eliyahou Harari von Hughes Aircraft Company, im Mai 1977 wurden neue Forschungsergebnisse dazu von Fairchild und Siemens veröffentlicht. Viele weitere Halbleiterspezialisten, darunter Toshiba, IBM und Intel bauten darauf auf und fertigten eigene nichtflüchtige Speicher. Unzufrieden war man aber mit den Zeiträumen für die Datenaufbewahrung sowie der begrenzten Anzahl an Schreib- und Lesezyklen.

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Zwischen 1976 und 1978 machte ein Team von Intel um George Perlegos weitere Fortschritte. 1980 hatten sie FLOTOX (Floating Gate Tunnel Oxide) entwickelt, mit dem 10.000-fache Schreib- und Lesevorgänge kein Problem mehr waren. Des Weiteren schraubte dann vor allem Intel an dem Verfahren herum. Der erste NAND-Flash-Speicher wurde 1984 von Toshiba freigegeben, der NOR-Flash dann 1988 von Intel.

NOR-basierter Flash benötigt vergleichsweise lange Lösch- und Schreibzeiten, verfügt aber über eine vollständige Adress-/Daten-Schnittstelle, die den beliebigen Zugriff auf jeden Speicherort ermöglicht. So war NOR-Flash besonders geeignet für die Speicherung von Programmcode, der selten aktualisiert werden muss, wie etwa das BIOS eines Computers oder die Firmware von Set-Top-Boxen, die in den ’90ern kurzzeitig enorm populär wurden.

NOR-basierter Flash war auch die Basis für frühe Flash-basierte Wechselmedien; Compact Flash basierte ursprünglich darauf, später setzte sich das günstigere NAND-Flash durch, nicht zuletzt weil der Platzbedarf für eine Flash-Speicherzelle in NAND-Technik nur einen Bruchteil der Fläche einer Speicherzelle in NOR-Technik beträgt. NOR-Flash spielt aber weiter in vielen Bereichen wie etwa den Fahrerassistenzsystemen (ADAS) eine wichtige Rolle.

SSDs für den PC

Auch IBM war fleißig und verbaute die ersten Solid State Disks (SSDs) Ende der ’80er-Jahre in einen seiner Personal Computer (PC). Sie waren aber unfassbar teuer und nur für das Militär erschwinglich – diese erste Generation der sogenannten All-Flash-Arrays (AFAs) wurde nur selten eingesetzt, da ihre enorme Leistungssteigerung durch ebenso enorme Preise teuer erkauft wurde. SSDs kamen also nur hier und da zum Einsatz, zum Beispiel, um eine besonders datenabhängige Anwendung zu beschleunigen, oder als Punktlösung, um eine bestimmte geschäftliche Herausforderung zu lösen.

Erst Ende der ’90er-Jahre wurden SSDs für Endanwender erreichbar; damals brachte Sony auch den ersten Memory-Stick auf den Markt. Meiner Erfahrung nach änderte sich damit alles: Fotokameras mit Flash waren der neueste Schrei, jeder musste eine haben, und Speichersticks lagen bald zu Hunderten in der Redaktion herum. Handys wurden Massenware. MP3-Player fanden sich praktisch unter jedem Weihnachtsbaum. Flash hatte sich bei den Consumern durchgesetzt, nur den Unternehmen mit ihren riesigen Storage-Systemen war das Verfahren noch zu teuer.

Teil 2 unserer Flash-Historie behandelt den gegenwärtigen Stand der Technologie.

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