Im Halbleiterspeicherlabor rumort es Bei 10 TByte könnte Flash die Festplatte einholen

Die Speichermedien für Cloud und On-Premise unterscheiden sich nicht. In beiden Abteilungen moderner IT wird jedoch immer mehr davon benötigt. Damit steht die Frage im Raum: Wann sorgen die Speicherhersteller endlich wieder für genügend Nachschub?

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Moderner Speicher wird in Relation immer billiger und schneller – und hält dennoch mit dem Bedarf nicht mit. Laut Seagate wird die weltweite Nachfrage 2020 um sechs Zettabyte größer sein als das Angebot.

Alle Hersteller arbeiten deshalb an kapazitätssteigernden Maßnahmen. Bei den klassischen HDDs soll es dank der Kombination verschiedener Verfahren wie BPMR (Bit Patterned Magnetic Recording) und HDMR (Heated-Dot Magnetic Recording) bis 2025 100-TByte-Festplatten geben, glaubt zumindest das Advanced Storage Technology Consortium (ATSC).

Verfolgungsjagd

Während der Speicherdichtezuwachs bei den drehenden HDDs in den vergangenen Jahren eher gemächlich vorankam, legten die SSDs mächtig zu. Das liegt zum einen daran, dass die Chips immer kleiner werden. Wurden 2010 NAND-Flashspeicher noch im 25-Nanometer-Verfahren gefertigt, so ist heute bereits eine Strukturbreite von 15 nm erreichbar. Bis Mitte 2016 will Samsung in die Massenfertigung von 14-nm-NAND-Flash einsteigen.

Die Packungsdichte steigt dabei quadratisch mit der sinkenden Strukturgröße. Die Bauteile werden aber nicht nur kleiner, auch die Zahl der pro Zelle speicherbaren Bits steigt. Multi-Level Cells mit zwei Bit pro Einheit sind heute auch im Enterprise-Bereich Standard, der nächste Schritt sind drei Bit pro Zelle – je nach Hersteller als Triple Level Cell (TLC) oder 3-Bit-Multilevel-Cell bezeichnet. Intel und Micron setzen bei TLC weiter auf Floating Gates, die nun allerdings zwischen acht verschiedenen Ladungsniveaus differenzieren müssen.

8 oder 16 Ladungszustände

Damit steigt die Bitfehlerrate und die Lebensdauer sinkt. Auch die Fehlerkorrektur wird wesentlich komplexer. Samsung verwendet bei seinen TLC-SSDs zwar keine Floating Gates, sondern Ladungsfallen (Charge Trap), dennoch gibt das Unternehmen für seine 3-Bit-MLC-3D-PM863 nur drei Jahre Garantie bei 170 TBW (Terabyte Written), während der 2-Bit-MLC-Speicher mit fünf Jahren Garantie bei 770 TBW ausgeliefert wird. Die Verlässlichkeit soll allerdings bei beiden Varianten zwei Millionen Stunden MTBF (Mean Time Between Failures) erreichen, was statistisch über 228 Jahre ohne Fehler entspricht.

Die Packungsdichte lässt sich auch erhöhen, indem man Speicherzellen übereinander stapelt, was als 3D-NAND bezeichnet wird. Mit 32 Lagen lassen sich so mit TLC bis zu 384 Gbit pro Chip und 10 TByte pro 2,5-Zoll-SSD erreichen. Auf dem Flash Summit 2015 hat Samsung mit der PM1633a sogar eine 2,5-Zoll-SSD mit 16 TB Kapazität vorgestellt. Diese ist allerdings bis heute nicht erhältlich.

Mit drei Bit pro Zelle geben sich die Hersteller natürlich nicht zufrieden. So hat Toshiba bereits eine SSD präsentiert, die 4 Bit pro Zelle speichert. Das Unternehmen prognostiziert SSD-Kapazitäten von bis zu 128 TByte, und das schon in zwei Jahren. Die bei TLC beschriebenen Probleme potenzieren sich dabei, da nun nicht mehr acht sondern 16 Zustände unterschieden werden müssen. Nicht umsonst positioniert Toshiba die QLC-Technologie deshalb eher im Archiving- denn im transaktionsintensiven Online-Bereich.

1.000 Mal schneller mit 3D Xpoint

Auch wenn SSDs zirka drei Mal schneller als Festplatten sind, im Vergleich zu flüchtigem DRAM sind sie immer noch sehr langsam. Eine der Technologien, die diese Geschwindigkeitslücke füllen will, ist 3D XPoint, entwickelt in den Laboren von Intel und Micron. Ein Speicher, der nicht nur 1.000 Mal schneller als NAND-Flash sondern auch 1.000 Mal robuster sein soll, zumindest was die Zahl der Schreibzyklen angeht. Die Speicherdichte liegt mit derzeit 128 Gbit pro Chip allerdings noch hinter Flash zurück. Dies liegt unter anderem daran, dass 3D Xpoint nur 1 Bit pro Zelle speichern kann.

Aus der Technologie hinter 3D Xpoint machen die Entwickler ein großes Geheimnis. Die Schaubilder, die Intel und Micron auf dem Flash Summit zeigten, lassen nur erkennen, dass es sich um dreidimensionale Gitterstrukturen handelt.

Im Januar 2016 hat Guy Blalock, Co-CEO des Intel-Micron-Joint-Ventures IM Flash auf dem SEMI Industry Strategy Symposium im kalifornischen Half Moon Bay allerdings indirekt bestätigt, dass 3D Xpoint auf der PCM-Technologie (Phase Change Memory) basiert. Er sprach davon, dass „Chalkogenid und ein Ovonyx-Schalter“ „magische Bestandteile“ von 3D Xpoint seien. Wie das bei einer dreidimensionalen Gitterstruktur funktionieren soll, darüber schwieg Blalock sich allerdings aus.

Spezialistenanwendungen gesucht

Aktuell dürfte es ohnehin nur sehr wenige Anwendungen geben, die 3D Xpoint sinnvoll nutzen können. Die Hersteller nennen KI-Systeme, Echtzeit-Analysen von Krankheitsausbrüchen oder Gaming in 8K-Auflösung als mögliche Einsatzszenarien. Auch Big-Data-Anwendungen, die In-Memory-Datenbanken wie SAP HANA verwenden, könnten von einer Kombination aus 3D Xpoint und DRAM profitieren.

Ein weiterer Einsatzzweck wäre die Online-Deduplizierung in Speichersystemen. Sie würde von den im Vergleich zu DRAM geringeren Kosten und der höheren Speicherdichte profitieren und gegenüber Flash deutliche Geschwindigkeitsgewinne bringen.

Genau für diesen Zweck haben HP und Sandisk die 3D-Xpoint-Alternative „Storage Class Memory“ (SCM) angekündigt. Es soll ebenfalls 1.000 Mal schneller als Flash, preiswerter, energieeffizienter und haltbarer als DRAM sein. Über die Technologie und die Marktreife dieser Lösung ist allerdings noch weniger bekannt als bei 3D Xpoint.

Fazit

Höher, dichter, schneller – die Entwicklung beim Flash-Speicher erinnert ein wenig an das olympische Motto. Den Fertigern gelingt es, immer mehr Layer übereinander zu stapeln. TLC und 4-Bit-MLC sind marktreif oder stehen kurz davor, auch wenn Langzeiterfahrungen noch fehlen, was Fehleranfälligkeit und Ausfallrate angeht. Im wahrsten Sinne eng wird die Luft dagegen bei der Fertigungsbreite.

Bei 14 nm kommt man langsam in Bereiche, bei denen Tunneleffekte zwischen den Zellen auftreten. Dennoch ist davon auszugehen, dass die Gigabyte-Preise für SSDs in den kommenden Jahren weiter fallen und die Kapazitäten deutlich steigen werden. Erste 10-TByte-Laufwerke sind angekündigt. Für klassische Festplatten wird es eng, vor allem im Layer 1 einer Speicherarchitektur.

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