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Rennen um billigen Speicher und kurze Zugriffszeiten Wie verändert Flash-Speichertechnik das Rechenzentrum?

Von Von Walter Schadhauser

In einem Wort: gewaltig. Erinnern wir uns kurz zurück: Die ersten IBM-PCs kamen in der Luxusausstattung mit zwei Diskettenlaufwerken auf den Tisch. Für die anderen war der Diskjockey-Job, zwischen Betriebssystem und Anwendung zu wechseln, eine beständige aufregende Tätigkeit. Flash-Storage verhält sich zur modernen Festplatte in etwa so wie damals die erste 5-MB-Festplatte zu einem 250-KB-Diskettenlaufwerk.

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Eine Flash-Zelle mit Abmessungen im unteren zweistelligen Nanometerbereich und der Fähigkeit, in die Höhe zu wachsen. Derzeitiger Stand: 64 Lagen und 3 Bit pro Zelle.
Eine Flash-Zelle mit Abmessungen im unteren zweistelligen Nanometerbereich und der Fähigkeit, in die Höhe zu wachsen. Derzeitiger Stand: 64 Lagen und 3 Bit pro Zelle.
(Bild: Wikipedia, Urheber Appaloosa)

Aus dem aktuellen Blick heraus sieht es so aus, als ob durch die Namensgebung die Flash-Technik schon immer auf Geschwindigkeit getrimmt worden ist. Aber eigentlich wird der Flash-Speicher so genannt, weil der Mikrochip so organisiert ist, dass ein Abschnitt (Block) der Speicherzellen mit einer einzelnen Aktion („flash“) gelöscht wird. Die Löschung wird durch Fowler-Nordheim-Tunneling bewerkstelligt, wobei die Ladungsträger ein dünnes dielektrisches Material durchtunneln, um die elektrische Ladung aus einem mit der jeweiligen Speicherzelle verknüpften Kondensator (floating gate) zu entfernen.

Die Anfänge von mehr Kapazität und kurzer Zugriffszeit

Festplattenhersteller wie auch ihre Kunden haben einiges getan, um den Speicher zu beschleunigen. Eine gute Enterprise-Harddisk hat auch nur Zugriffszeiten von 2 bis 3 Millisekunden, und fast hätte sich diese Zugriffszeit noch weiter gesenkt, wenn die Pläne aus der Schreibtischschublade mit Drehzahlen von 20.000 Umdrehungen wahrgemacht worden wären.

Speicherhersteller haben aus dem Basismaterial Festplatte Speicherschränke mit enormen Kapazitäten und mit durch das Zusammenfassen von Festplatten hohen Ein-/Ausgabeoperationen pro Sekunde, den sogenannten IOPS (Input/Output Operations per Second), bereitgestellt, die Enterprise-Anwendungen „zum Fliegen“ brachten. Und die großen Kunden, Rechenzentren und Buchungsplattformen verwandten viel Energie darauf, die optimale Leistungsfähigkeit aus diesen Systemen herauszukitzeln, indem sie nur die äußersten Spuren nutzten.

Doch die Anforderungen nach steigenden IOPS-Zahlen bei den Anwendern konfligierten mit dem Konkurrenzdruck auf Seiten der Hard-Disk-Hersteller, mehr Speicherkapazität zu niedrigeren Kosten liefern zu wollen. Beides zusammen lässt sich in einer Festplatte nicht realisieren. Dies soll nun angeblich das All-Flash-Rechenzentrum können.

Hohe Kapazität und niedrige Latenz passen doch zusammen

Flash-Storage löste mit dem Solid State Drive (SSD) erst einmal das 50 Jahre alte IOPS-Problem, wenn auch zu horrenden Kosten pro Gigabyte. Statt 200 IOPS lieferte ein Flash-Drive gleich das Hundertfache und mehr. Im Lauf der vergangenen zehn Jahre haben dann die Fortschritte bei der Miniaturisierung einer Speicherzelle auch zum Gewinn des Kapazitätsrennen pro Formfaktor geführt.

Beim 2,5-Zoll-Laufwerk ließen sich 2016 16 Terabyte Speicher unterbringen, bei 3,5-Zoll-Laufwerken zeigen SSD-Prototypen, dass in dieses Volumen 30 Terabyte Speicher passen.

Technisch scheinen also viele Probleme mit dem Aufkommen der Flash-Speichertechnik gelöst:

  • hohe Geschwindigkeit,
  • hohe Kapazität,
  • wahlfreier Zugriff,
  • nichtflüchtige Datenhaltung,
  • geringerer Stromverbrauch und
  • Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen.

Zwei wichtige Knackpunkte für ein All-Flash-Rechenzentrum sind damit allerdings nicht gelöst:

  • 1. Kosten: Als Massenspeicher ist Flash mit hier einmal niedrig angesetzten 20 Euro-Cent pro Gigabyte circa 200-mal teurer als die Datenhaltung auf einer Festplatte. Das wird auch so bleiben, da die Flash-Technik 2017 in einer technischen Umbruchphase ist, die die Produktionsbedingungen vollständig von 2D auf 3D umstellen will. Diese Umstellung auf eine 3D-Massenproduktion verursacht Kosten im zweistelligen Milliardenbereich.
  • 2. Geschwindigkeit: Und Flash ist nicht annähernd so schnell wie dynamische RAMs (DRAM), der Hauptspeicher in jedem Server, der dem Prozessor mit circa 200.000-fach höherer Geschwindigkeit als Flash die „heißen“ Daten übermittelt.

Die beiden Parameter Kosten und Geschwindigkeit machen das All-Flash-Rechenzentrum unmöglich. Dazu braucht es eine andere Halbleiterspeichertechnik. Flash kann mit einigen Tricks die Zugriffsgeschwindigkeit zwar noch verbessern, aber auf keinen Fall in den Bereich von DRAMs. Bei den Kosten besteht jedoch noch viel Potenzial, da sich die 3D-Technik auf dem Weg von derzeit 64 Layern zu 192 Layern befindet. Die absehbare Kostenreduktion hat allerdings den Nachteil, dass sie die Einführung alternativer Halbleiterspeichertechniken wenn nicht verhindern, so doch stark verzögern wird.

Die Flash-Speichertechnik erweist sich, wie die diversen Festplattentechniken aus 15k-SAS-HDD und 7,2K-SATA-HDD, nur als ein weiteres Tier, eine weitere Stufe, im „ewigen“ Rennen um billigen Speicher und kurze Zugriffszeiten. Noch gibt es wenige Preis-Leistungs-Kalkulationen darüber, ob das „All-Flash-Rechenzentrum“ nicht doch besser als Hybridspeicher mit einem Mix von teurem und preiswertem Flash oder aus einem Mix von Flash und Festplatte oder aus einem Hybridspeicher von DRAM/Flash und Festplatte aufgebaut werden sollte.

(ID:44640584)