Grundlagen: nichtflüchtiger Speicher Flash-Storage im Überblick

Von Michael Matzer

Flash-Speicher wird allenthalben mit hohen Datengeschwindigkeiten assoziiert – und das völlig zu Recht. Bei der Namensgebung war dieser Umstand jedoch nicht ausschlaggebend, da das englische flash in diesem Fall auf einen ganz anderen Umstand anspielt. Viel wichtiger ist jedoch die Frage: Welche unterschiedlichen Flash-Speicher gibt es?

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Nicht irreleiten lassen! Flash-Storage ist zwar bei der Datenübertragung blitzschnell, doch spielt der Begriff eigentlich auf den Blitz einer Fotokamera an.
Nicht irreleiten lassen! Flash-Storage ist zwar bei der Datenübertragung blitzschnell, doch spielt der Begriff eigentlich auf den Blitz einer Fotokamera an.
(© Robert Daly/KOTO - stock.adobe.com)

Viele Anwender assoziieren mit der Bezeichnung „Flash“ eine hohe, im Wortsinne blitzartige Geschwindigkeit, wodurch die Meinung vorherrscht, dass Flash-Speicher von Haus aus auf Tempo bei der Datenübertragung ausgelegt ist. Doch ist mit dem englischen flash das Blitzlicht einer Fotokamera gemeint, an das sich einer der Entwickler der Technologie beim blockweisen Löschen des Flash-Speichers erinnert fühlte – zumindest besagt das eine Anekdote.

Flash-Speicher ist ein elektronisches, nichtflüchtiges Speichermedium in Computern, Endgeräten und IT-Infrastruktur, beispielsweise in Solid State Disks (SSDs). 1980 von Toshiba für Digitalkameras entwickelt, zeichnen sich Flash-Speichermedien wie SSDs und SD-Karten durch leichte Programmier- und Löschbarkeit aus. Daher spricht man auch von Programmier-/Lösch-Zyklen (Program/Erase- oder PE-Zyklen). Mit dieser Kennzahl lässt sich die Lebensdauer einer Flash-Speicherzelle berechnen.

Diese Lebensdauer ist durch die häufige Nutzung begrenzt. Das macht den zuverlässigen Einsatz von Flash-Speicher in I/O-intensiven Unternehmensapplikationen zu einer Herausforderung. Die Hersteller haben dem mit Techniken wie Schreiboptimierung und Überprovisionierung entgegengewirkt.

Die folgenden Flash-Speicher-SSDs gibt es derzeit. An Weiterentwicklungen und Alternativen wird mit Hochdruck gearbeitet.

SLC

Jeder Flash-Speicher-Mikrochip weist Hunderte von Millionen Zellen auf. Jede der Zellen weist traditionell zwei mögliche Zustände hinsichtlich der Präsenz oder Abwesenheit von Elektronen in der Ladungsfalle des Chips auf. Der Zustand entspricht null oder eins und lässt sich als einzelnes Bit in einer einzelnen Zelle des Single-Level-Cell-Speichers (SLC) ablegen.

Der einfachste und damit beständigste Flash-Speichertyp im SSD-Format ist SLC (Single-Level-Cell). Hierbei wird 1 Bit pro Speicherzelle gespeichert. SLC wird nicht mehr hergestellt, vor allem wegen des Erfolgs der eMLC- und cMLC-Flash-Disks.

eMLC

eMLC steht für „Enterprise-Multi-Level-Cell“. Durch die Speicherung von 2 Bit pro Zelle werden die Speicherdichte erhöht und der Preis pro GB gesenkt. Ein erheblicher Teil der Speicherzellen wird für Überprovisionierung (Over-Provisioning, OP) reserviert, damit die reservierten Zellen die abgenutzten Zellen ersetzen. Der OP-Anteil beträgt zwischen 28 und 50 Prozent. eMLC-Flash-Speicher umfasst häufig ausgefeilte Controller-Firmware, um gerätespezifische Optimierungen wie Garbage Collection auszuführen.

cMLC

cMLC steht für „Consumer-Multi-Level-Cell“. Diese Art Flash-Speicher wird im Großteil aller Endverbrauchergeräte wie Digitalkameras oder Smartphones genutzt. Neuerdings werden damit auch Enterprise-Storage-Arrays bestückt. Der reservierte OP-Speicher beträgt lediglich etwa sieben Prozent des adressierbaren Speichers, und die Controller-Firmware ist nur begrenzt leistungsfähig.

TLC

Bei TLC (Triple-Level-Cell) werden drei Bits in einer Zelle gespeichert. Das ermöglicht die kapazitätsorientierte Ausrichtung von Flash-Speichermedien und -geräten. TLC-Flash wird in USB-Laufwerken, hochwertigen SSDs und Speicherkarten verwendet, ähnlich wie eMLC. Samsung begann diesen NAND-Flash-Speicher ab 2010 herzustellen. 3D-NAND-Flash stapelt Speicherzellen auf dem Chip vertikal statt horizontal, um eine höhere Speicherdichte zu erzielen. Dies wiederum führt zu geringerem Stückpreis und verbesserter Zuverlässigkeit.

Es gibt einige Unterschiede gegenüber MLC-Flash. TLC-SSDs weisen acht verschiedene Ladungszustände (voltage levels) auf, MLCs nur vier. Die Architektur ist mitunter fehleranfälliger als MLC, und TLC unterstützt „nur“ Hunderte von Schreibzyklen anstelle von Tausenden. TLCs sind 15 bis 20 Prozent kostengünstiger herzustellen als MLCs. Das Schalten zwischen den acht Ladungsebenen macht die TLCs beim Lesevorgang minimal langsamer als MLCs. Dennoch werden sie von den Herstellern für Applikationen empfohlen, die sehr viele Lesevorgänge, aber wenige Schreibvorgänge aufweisen (etwa NoSQL-Datenbanken oder Streaming-Medien). Dies liegt an der asymmetrischen Architektur: Schreibvorgänge sind aufwändig, aber Lesevorgänge praktisch kostenlos.

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QLC

Bei Quad-Level-Cell-Flash-Speicher (QLC) werden vier Bits in einer Zelle gespeichert. Aufgrund ihrer höheren Speicherkapazität können QLCs auf der Ebene von Terabytes in puncto Gigabyte pro US-Dollar (GB/USD) mit Festplatten konkurrieren oder sie gar übertreffen. QLD-SSDs dürften fast immer preisgünstiger als TLC-SSDs sein.

Doch wie sieht es mit ihrer Zuverlässigkeit und Beständigkeit aus? Im Unterschied zu den acht Ladungszuständen von TLC verfügt QLC über doppelt so viele: 16. Das macht QLCs nicht nur weniger performant als TLCs, sondern auch meist weniger zuverlässig, denn die kleinen Unterschiede bei den Ladungszuständen machen den Lesevorgang empfindlicher hinsichtlich „Störungen“, was zu einer höheren Fehlerquote führt. Diese muss ausgeglichen werden. Je mehr Ladungszustände eine SSD aufweist, desto weniger P/E- oder Lesezyklen kann sie auf Dauer unterstützen. Auch in diesem Punkt sind QLC-SSDs den TLC-SSDs unterlegen.

QLCs eignen sich für Anwendungsbereiche, in denen Lesevorgänge gefragter sind als Schreibvorgänge. Dazu gehören KI (Training und Inferenz von Modellen), NoSQL-Datenbanken, Streaming-Medien und Analytik. TLCs werden, wie erwähnt, eher für Endverbraucherzwecke genutzt, etwa in USB-Sticks, Smartphones und Digitalkameras.

NVMe und NVMe Over Fabrics

NVMe over Fabrics (NVMe oF) ist eine Erweiterung des NVMe-Netzwerkprotokolls für Ethernet und Fibre Channel, das eine schnellere und effizientere Konnektivität zwischen Storage und Servern erlaubt. Es begünstigt zudem die Verringerung der CPU-Nutzung in Anwendungs-Hostservern. Da der Umweg über die CPU die meisten Anwendungen ausbremst, werden netzwerkgestützte Anwendungen performanter. NVMe oF ist, besonders in Kombination mit RDMA over Ethernet, die Zukunft von Storage.

Vor NVMe oF musste man zwischen iSCSI, Serial Attached SCSI (SAS) und Fibre Channel (FC) wählen. Mit iSCSI lassen sich Übertragungsraten zwischen 1 und 10 Gigabyte pro Sekunde (GB/s) erzielen, mit SAS zwischen 3 und 22,5 GB/s, aber mit FC sogar bis zu 128 GB/s. Diese Standards ließen sich nicht auf Flash-Laufwerke anwenden, und SATA- oder PCIe-SSDs beseitigten den Flaschenhals nicht.

Daher kam vor wenigen Jahren mit NVMe ein Übertragungsprotokoll zum Einsatz, das auf das Koppeln von SSDs an den PCIe-Bus zugeschnitten war. Damit ließen sich skalierbare All-Flash-Arrays (AFAs) aufbauen. In Kombination mit dem verlustfreien Fibre Channel bildet NVMe oF den nächsten Schritt in der Evolution von AFA. Unternehmensapplikationen können jetzt auf geteiltem Netzwerkspeicher laufen, der hohe (128 GB/s) Netzwerkübertragungsgeschwindigkeiten und eine größere Bandbreite – ohne InfiniBand – unterstützt.

Das erlaubt die Konsolidierung von Applikationen im Rechenzentrum und die Abschaffung von Datensilos, die bis jetzt auf Direct Attached Storage (DAS) angewiesen waren. Dessen Latenzzeiten werden von NVMe oF erreicht oder unterboten. NVMe oF ist wesentlich effizienter hinsichtlich I/O-Verarbeitung als iSCSI und macht die gesamte Architektur paralleler, wodurch Flaschenhälse in modernen Applikationen beseitigt werden. Eine der idealen Anwendungen von NVMe oF sind Tier-0- und Tier-1-Block-Storage-Anwendungen wie Backup/Disaster Recovery.

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