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

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Das herkömmliche Vier-Layer-Design muss dabei in ein Sechs-Layer-Design geändert werden. Dadurch wird eine Montage der Komponenten auf einem Board ermöglicht, das dieselbe Größe hat, wie es bei einer Standard-HDD genutzt wird.

Der benötigte Platz für die Montage der Komponenten wurde zusätzlich reduziert durch die Verwendung von DDR2-Hauptspeicher mit geringer Baugröße für das SDRAM (synchrones DRAM). Trotzdem ist es unmöglich, mehr als ein NAND-Speichermodul zu integrieren.

Faktor 20 bessere Zugriffsgeschwindigkeit

Generell sollte bei der Entwicklung von NAND-Speichern berücksichtigt werden, dass die SLC-Technologie (Single Level Cell) höhere Kosten pro Byte als die MLC-Technologie (Multi Level Cell) mit sich bringt, allerdings bietet sie auch eine bessere Performance. Wenn die Anzahl der Dies (NAND-Chips) höher ist, wird auch die Laufwerksperformance durch parallele Verarbeitungsprozesse erheblich verbessert.

Bei einer herkömmlichen HDD wird die Random Access Performance durch die Suchzeiten und Umdrehungsgeschwindigkeiten limitiert. In den meisten Fällen werden Command-Reordering-Technologien verwendet, um diese Verzögerungen zu minimieren, aber HDDs sind immer noch begrenzt auf 200 bis 300 Inputs/Outputs pro Sekunde (IOPS). Die NAND-Speicherperformance wird eingeschränkt durch die Zugriffszeit auf den NAND-Speicher, aber das kann durch die Erhöhung der Kanal- und Dies-Anzahl verbessert werden, um parallele Zugriffe zu ermöglichen. Damit lässt sich die Random-Lese- und Schreibperformance des NAND-Speichers auf mehrere Tausend IOPS verbessern, ein Wert, der deutlich höher liegt als bei jeder Standard-HDD.

Festplatten-Tiering

Beträgt die Kapazität des beim Hybrid-Laufwerk verwendeten NAND-Speichers zum Beispiel 8 GByte, entspricht das nur rund einem Prozent der Speicherkapazität einer 1 TByte großen HDD. Deshalb ist eine effiziente Verwendung des NAND-Speichers als Cache unerlässlich und folglich auch eine exakte Bestimmung der Daten, die im NAND-Speicher abgelegt werden.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass die drei Storage-Tiers eines Hybrid-Laufwerks – SDRAM, NAND-Speicher und Magnetscheibe – alle unterschiedliche Schreib- und Lesegeschwindigkeiten haben. Werden Daten geschrieben, wird das Hybrid-Laufwerk sie zunächst im NAND-Speicher ablegen und erst später auf der Magnetscheibe.

Wenn Daten gelesen werden, überprüft das System, ob sie sich im NAND-Speicher befinden. Falls dies der Fall ist, werden sie schnell an das System gesendet. Falls nicht, werden sie von der Magnetscheibe gelesen und an das System gesendet und im NAND-Speicher abgelegt. Dieser Algorithmus stellt sicher, dass Daten, die kürzlich auf das Laufwerk geschrieben oder von ihm gelesen wurden, sich im NAND-Speicher befinden – und damit schnell zugänglich sind.

Es wird noch besser werden

Insgesamt stehen mit den heutigen Hybrid-Laufwerken Speicherlösungen zur Verfügung, die die Anwenderanforderungen hinsichtlich hoher Geschwindigkeit und Speicherkapazität erfüllen. Durch die Nutzung eines selbstlernenden Algorithmus, der die Datenverteilung und -speicherung überwacht und „koordi-niert“, erreichen solche Laufwerke eine Performance, die auf SSD-Niveau liegt.

Toshiba plant, den Cache-Algorithmus noch weiterzuentwickeln, um eine optimale Nutzung der dreistufigen Speicherstruktur mit SDRAM, NAND und Magnetscheibe sicherzustellen. Toshibas zweite Generation von Hybrid-Laufwerken wird künftig eine noch höhere Performance bieten.

* Mine Budiman, Eric Dunn und Rick Ehrlich, Toshiba America Electronic Components

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