Hybrid-Laufwerke kombinieren Flash-Geschwindigkeit und Festplatten-Speicherkapazität

Der DRAM-Buffer in der Festplatte begrenzt die Cache miss penalty

| Autor / Redakteur: Mine Budiman, Eric Dunn und Rick Ehrlich* / Rainer Graefen

Design-Konzept eines Hybrid-Laufwerkes: Daten, die kürzlich auf das Laufwerk geschrieben oder von ihm gelesen wurden, befinden sich im NAND-Speicher. Das führt zu einer Verbesserung der Lese- und Schreibgeschwindigkeiten.
Design-Konzept eines Hybrid-Laufwerkes: Daten, die kürzlich auf das Laufwerk geschrieben oder von ihm gelesen wurden, befinden sich im NAND-Speicher. Das führt zu einer Verbesserung der Lese- und Schreibgeschwindigkeiten. (Grafik: Toshiba)

Viele Benutzer der ersten Hybrid-Festplattengeneration haben negative Erfahrungen mit der angeblich schnellen Kombination von Flash und Festplatte gemacht. Ist das angeforderte Datensegment nicht im Cache, dauert der Zugriff auf die Festplatte sogar länger. Eine zusätzliche Speicherstufe soll nun laut Toshiba ungetrübte Zugriffsrekorde bringen.

Die Nachfrage nach Hybrid-Laufwerken, die die Kostenvorteile und Speicherkapazitäten traditioneller Festplatten und die hohe Performance von NAND-Flashspeichern miteinander kombinieren, steigt auf breiter Front.

Durch den Einsatz neuester Technologien wie eines intelligenten Cache-Algorithmus, der eine Speicherung häufig genutzter Daten im NAND-Flashspeicher ermöglicht, erreichen Hybrid-Laufwerke heute eine mit SSDs vergleichbare Performance.

Hybrides Speichermedium gibt Gas

Das exponentielle Datenwachstum setzt sich kontinuierlich fort. Anwender suchen deshalb heute Lösungen, die eine hohe Speicherkapazität bieten. Gleichzeitig wollen sie aber keine Abstriche bei den Datenzugriffszeiten machen. Das betrifft schnelle PC-Boot-Zeiten ebenso wie optimierte Lese-und Schreibge-schwindigkeiten.

Dabei dominieren die herkömmlichen Festplatten (HDDs) nach wie vor den Markt, da sie bei einem niedrigeren Preis eine höhere Speicherkapazität bieten – trotz ihrer Einschränkungen im Hinblick auf die Performance. Zunehmend werden heute allerdings auch SSDs aufgrund ihrer Vorteile wie hohe Geschwindigkeit, schnelle Bootzeiten, kompakte Größe und geringer Energieverbrauch verwendet.

Sie werden beispielsweise bereits verstärkt in Notebooks eingesetzt. Will ein Unternehmen oder ein Privatanwender aber die Vorteile der beiden Technologien gleichzeitig nutzen, so kann er sich heute für ein Hybrid-Laufwerk entscheiden.

Die dreistufige Architektur eines Hybrid-Laufwerkes

Ein Hybrid-Laufwerk besteht aus drei Komponenten:

  • 1. wird für den Cache-Speicher ein High-Speed DRAM (flüchtiger Speicher) mit geringer Kapazität genutzt,
  • 2. ist eine Magnetscheibe (nichtflüchtiger Speicher) mit hoher Speicherkapazität vorhanden und
  • 3. ist ein NAND-Speicher (nichtflüchtiger Speicher) mit mittlerer Speicherkapazität und Schreib-/Lesegeschwindigkeit sowie Kosten pro Byte, die denjenigen von DRAMs und Magnetscheiben vergleichbar sind, als zweiter Cache-Bereich integriert.

Ein neu entwickelter Algorithmus analysiert kontinuierlich das Anwenderverhalten beim Datenzugriff. Auf Basis dieser Analyse werden Daten, die häufig genutzt werden, auf dem nicht-flüchtigen NAND-Chip abgelegt, um einen schnellen Zugriff zu ermöglichen. Umgekehrt werden Daten, die seltener verwendet werden, vom NAND-Chip auf die HDD für die langfristige Spei-cherung verlagert. Das ermöglicht erhebliche Performance-Verbesserungen, zum Beispiel beim Booten des PCs.

Ein PC-System erkennt ein Hybrid-Laufwerk wie konventionelle HDD- und SSD-Lösungen. Deshalb ist es nicht erforderlich, zu-sätzliche Software zu installieren, und vorhandene HDDs oder SSDs können problemlos durch solche Laufwerke ersetzt wer-den.

PCB-Design mit 6 Lagen erforderlich

Um die Hardware-Kosten niedrig zu halten und gleichzeitig eine hohe Performance sicherzustellen, hat Toshiba einen eigenen NAND-Controller für das Management der Schreib- und Leseprozesse auf dem NAND-Speicher entwickelt.

Dieser Controller dient als Bridge-Chip zwischen dem System on a Chip (SoC) und dem NAND-Chip. Der NAND-Controller und das Synchro-nous DRAM (SDRAM) sind parallel mit dem Double Data Rate 2 (DDR2) SoC verbunden; dem NAND-Controller und dem SDRAM sind dabei unterschiedliche Adressbereiche zugewiesen, um der HDD und den NAND-Chips eine gemeinsame Nutzung des SoC zu ermöglichen.

Um ein komplettes Redesign der HDD überflüssig zu machen, müssen NAND-Controller und NAND-Speicher auf der HDD-Platine angebracht werden.

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