Flash-Speicher (Flash-Memory)

Was ist Flash-Speicher?

Flash-Speicher – oder auch Flash Memory oder Flash Storage – ist jede Art von Laufwerk, Speicherort oder System, das Flash-Speicher zum Schreiben und Speichern von Daten über einen längeren Zeitraum verwendet. Flash-Speicher ist heute in kleinen Computergeräten, Verbrauchergeräten und großen Unternehmensspeichersystemen weit verbreitet.

Flash-Speicher basiert auf elektrisch programmierbarem Speicher. Als nichtflüchtiger Speicher benötigt er keine Stromversorgung, um die gespeicherten Daten zu erhalten. Digitale Informationen werden auf Solid-State-Flash-Memory-Chips gespeichert. Die Größe und Komplexität von Flash-basierten Speichern variiert je nach Gerät und reicht von tragbaren USB-Laufwerken, Smartphones, Kameras und eingebetteten Systemen bis hin zu All-Flash-Arrays der Enterprise-Klasse. Flash-Speicher werden in verschiedenen Formaten für unterschiedliche Speicherzwecke angeboten und oft als Solid-State-Speicher bezeichnet, da sie keine beweglichen Teile enthalten.

Flash-Speicher haben im Vergleich zu Festplatten mit rotierenden Scheiben schnelle Reaktionszeiten und sind eine gute Speicheralternative zu Festplatten (HDDs).

Wie funktioniert Flash-Speicher?

Flash speichert Daten mithilfe einer Ladung auf einem Kondensator, um eine Binärziffer (Bit) darzustellen. Er wird in der Regel in oberflächenmontierten Chips verpackt, die auf einer Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) angebracht sind. Flash-Speicher enthält ein Raster aus vielen Spalten und Zeilen mit Zellen, die an jeder Kreuzung zwei Transistoren aufweisen, die durch eine dünne Oxidschicht voneinander getrennt sind. Ein Transistor wird als Floating Gate und der andere als Control Gate bezeichnet. Wenn das Floating Gate über das Control Gate mit der Zeile verbunden ist, hat die Zelle den Wert 1.

Damit die Zelle den Wert 0 hat, muss zwischen dem Control Gate und dem Floating Gate eine Barriere platziert werden. Dies geschieht in einem als Tunneling bezeichneten Prozess, bei dem angeregte Elektronen durch die andere Seite der dünnen Oxidschicht gedrückt werden und eine negative Ladung erhalten, die als Barriere zwischen dem Control Gate und dem Floating Gate wirkt. Einige Flash-Chips können Millionen oder Milliarden dieser winzigen Transistoren enthalten und verwenden einen Logikcontroller, der es ihnen ermöglicht, zusammenzuarbeiten.

Da keine beweglichen mechanischen Teile vorhanden sind, ist der Stromverbrauch geringer. Ein typisches Serial Advanced Technology Attachment (SATA)-Flash-Laufwerk verbraucht 50 Prozent oder weniger der Energie, die mechanische SATA-Festplatten benötigen, und kann bei Laufwerken mit SATA 3.2 sequenzielle Lesegeschwindigkeiten von bis zu 6 Gigabit pro Sekunde (Gb/s) erreichen. Da es keine mechanischen Einschränkungen für den Dateizugriff gibt, liegen die Zugriffszeiten von Flash-Laufwerken im Mikrosekundenbereich und nicht im Millisekundenbereich, wie es bei mechanischen Festplatten der Fall ist. Dadurch wird die Latenz um mehrere Größenordnungen verringert.

Die meisten Flash-Speichersysteme bestehen aus Memory-Chips und einem Flash-Controller. Die Memory-Chips speichern Daten, während der Controller den Zugriff auf den Speicherplatz der Memory-Einheit verwaltet. Der Flash-Controller ist oft mehrkanalig und arbeitet mit einem RAM-Cache. Der Cache puffert die Daten, die zu und von mehreren Chips übertragen werden, und erhöht so die Geschwindigkeit.

Beispiele für den Einsatz von Flash-Speichern

Flash-Speicher werden häufig in Verbrauchergeräten verwendet, darunter

• Smartphones
• Notebooks.
• Digitalkameras.
• Tablets.
• Spielkonsolen.
• Computer-BIOS-Chips.
• USB-Speichersticks und Secure Digital (SD)-Karten.

Der Einsatz von Flash-Speichern in Unternehmensspeichersystemen umfasst Folgendes:

• Datenbanken.
• Virtuelle Desktop-Infrastrukturen.
• Unternehmens-Workloads.
• Unternehmenskritische Anwendungen.
• RAID-Systeme mit Solid-State-Laufwerken (SSDs).

Die Geschichte des Flash-Speichers

Dr. Fujio Masuoka wird die Erfindung von NOR und NAND, den beiden Haupttypen von Flash-Speichern, zugeschrieben, während er in den 1980er Jahren bei Toshiba arbeitete. Masuoka stellte 1984 den NOR-Flash und 1987 den NAND-Flash vor. Das neue Format war wesentlich schneller als der EEPROM-Prozess (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) und konnte in großen Blöcken programmiert und gelöscht werden, was einen Kollegen von Masuoka an einen Kamerablitz erinnerte.

Intel war daran interessiert, da NOR-Flash als leistungsfähigerer Ersatz für die EEPROM-Chips dienen konnte, die das Unternehmen zu dieser Zeit lieferte. Intel brachte 1988 die ersten NOR-Flash-Chips auf den Markt. Toshiba folgte 1989 mit den ersten NAND-Flash-Chips.

Im Jahr 2000 kam der USB-Stick für die Speicherung und Übertragung von Dateien auf den Markt. Er war kompakter und hatte eine höhere Kapazität als frühere Systeme. Mitte der 2000er Jahre sah es so aus, als würde NAND-Flash an eine harte Skalierungsgrenze stoßen. Die Fotolithografieverfahren, mit denen Transistoren verkleinert wurden, reichten nicht mehr aus, um die Preisrückgänge und Leistungsverbesserungen fortzusetzen, an die sich die Branche und ihre Kunden gewöhnt hatten. Im Jahr 2006 entwickelte Toshiba ein neues Verfahren namens Bit Cost Scaling (BiCS), um diese Probleme zu überwinden. 2007 kündigte Toshiba eine neue Flash-Technologie an: 3D-NAND.

Anstatt weiterhin zu versuchen, Transistoren zu verkleinern, ermöglichte BiCS den Herstellern, die Anzahl der Transistoren auf einem Chip erheblich zu erhöhen, indem sie diese vertikal statt horizontal anordneten, wie es bei der standardmäßigen planaren NAND-Technologie der Fall ist. 3D-NAND ist abwärtskompatibel mit planarem NAND, sodass alle Geräte, die Letzteres unterstützen, Daten auf Ersterem lesen und schreiben können und umgekehrt.

Im Jahr 2009 führte Toshiba dreistufige Speicherzellen ein, die 3 Bit pro Zelle speichern konnten, und kurz darauf stellte Samsung Triple-Level-Cell-NAND (TLC) vor. Im selben Jahr führten Toshiba und SanDisk Quad-Level-Cell-NAND-Flash-Speicherchips (QLC) ein, die 4 Bit pro Zelle speichern konnten und eine Kapazität von 64 Gbit hatten.

Im Jahr 2011 wurde die NVMe-Spezifikation (Non-Volatile Memory Express) veröffentlicht, und 2012 kamen die ersten kommerziell erhältlichen NVMe-Chips auf den Markt.

Im Jahr 2016 wurde die NVMe-oF-Spezifikation (NVMe over Fabrics) 1.0 ratifiziert, und mehrere Anbieter begannen mit der Vorführung von NVMe-oF-Systemen. Im selben Jahr übernahm Western Digital SanDisk.

Im Oktober 2020 gab Intel bekannt, dass es sein SSD- und NAND-Geschäft für 7 Milliarden US-Dollar an SK Hynix verkauft. Bis zum endgültigen Abschluss der Transaktion, der für März 2025 vorgesehen ist, wird Intel weiterhin NAND-Flash-Speicher herstellen und entwickeln. Bis zu diesem Zeitpunkt wird Intel die Produktion von Optane-Speicherchips einstellen, behält jedoch weiterhin NAND-bezogene Geschäftsvermögenswerte wie geistiges Eigentum im Bereich Design und Fertigung.

Zu den wichtigsten Herstellern von NAND-Flash-Speicherchips gehören Kioxia America, ehemals Toshiba Memory Corp., Micron Technology, Samsung, SK Hynix und SanDisk, das nun zu Western Digital gehört. Zu den wichtigsten Herstellern von NOR-Flash-Speichern gehören Cypress Semiconductor, das nun zu Infineon Technologies gehört, Macronix, Microchip Technology, Micron Technology und Winbond Electronics.

Flash Storage im Vergleich zu SSD

Eine nichtflüchtige SSD verwendet ein Solid-State-Flash-Memory zur dauerhaften Speicherung von Daten. Zu ihren Hauptkomponenten gehören NAND-Flash-Memory-Chips und ein Flash-Controller. Der SSD-Controller ist so konzipiert und optimiert, dass er eine hohe Lese-/Schreibleistung sowohl für direkte (random) als auch für sequenzielle Datenanforderungen bietet. Die Hersteller erzielen unterschiedliche Dichten und Kapazitäten in SSDs, indem sie Chips in einem Raster stapeln.

Obwohl die Begriffe Flash-Speicher und SSD synonym verwendet werden können, haben sie unterschiedliche Bedeutungen. SSD bezieht sich auf ein Gerät, das Flash-Speicher enthält. Mit anderen Worten: Flash-Speicher ist nur eine der Komponenten, aus denen eine SSD besteht. Neben dem Flash-Speicher enthalten SSDs eine Schnittstelle, über die die SSD an den Speicher-Controller eines PCs angeschlossen werden kann. Eine SSD kann beispielsweise eine SATA-Schnittstelle enthalten.

Alle SSDs enthalten Flash-Speicher, aber nicht jeder Flash-Speicher wird in SSDs verwendet. Flash-Speicher wird in unzähligen anderen Anwendungen wie USB-Sticks, Micro-SD-Karten und Smartphones verwendet.

Flash-Speicher vs. herkömmliche Festplatte

NAND-Flash-Speicher bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Festplatten (HDDs). HDDs haben geringere Kosten pro gespeichertem Datenbit, aber Flash-Laufwerke können eine deutlich höhere Leistung, geringere Latenz und einen geringeren Stromverbrauch bieten. Durch ihre kompakte Größe eignet sich Flash auch für kleine Verbrauchergeräte.

In Unternehmenssystemen kann Flash dazu beitragen, Speicher zu konsolidieren und die Gesamtbetriebskosten (TCO) zu senken. Es werden weniger SSDs benötigt, um Transaktionen zu verarbeiten und die Leistung von Systemen mit langsameren HDDs zu erreichen. Unternehmen können Einsparungen bei Rack-Platz, Systemverwaltung, Wartung sowie Strom- und Kühlungskosten erzielen. Datenreduktionstechnologien wie Inline-Deduplizierung und Komprimierung in All-Flash-Speichersystemen ermöglichen es Unternehmen außerdem, ihren Daten-Fußabdruck zu verringern.

Mit dem wachsenden Interesse an Flash-Speichern haben Branchenbeobachter eine häufig übersehene Einschränkung von Flash-Speichern festgestellt: Bei intensiver Nutzung mit hohen Schreiblasten kann sich die Lebensdauer verringern. Flash-Speicher haben eine relativ begrenzte Toleranz für Schreib-Lösch-Zyklen (P/E-Zyklus). Hersteller verwenden Funktionen wie Wear Leveling und Dynamic Random Access Memory (DRAM) oder nichtflüchtigen RAM-Cache, um die Zuverlässigkeit und Leistung zu verbessern.

Im Gegensatz zu HDDs, die durch ihre beweglichen Teile eingeschränkt sind, gibt es SSDs in verschiedenen Formfaktoren. Sie sind in verschiedenen Höhen erhältlich und unterstützen die Protokolle SATA, Serial-Attached SCSI (SAS) und NVMe. Die 2,5-Zoll-SSD ist der gängigste SSD-Typ. Sie passt in die gleichen SAS- und SATA-Steckplätze in einem Server und fällt unter den traditionellen HDD-Formfaktor-Typ von SSDs, wie er von der Solid State Storage Initiative der Storage Networking Industry Association (SNIA) definiert wurde.

Weitere wichtige SSD-Typen sind Solid-State-Karten und Solid-State-Module. Erstere sind als Standard-Add-in-Karten erhältlich – beispielsweise solche, die eine serielle PCIe-Karte (Peripheral Component Interconnect Express) auf einer Leiterplatte verwenden und Host-Bus-Adapter umgehen, um die Speicherleistung zu beschleunigen. Ein Beispiel hierfür ist eine U.2-SSD. Der zweite SSD-Typ, auch bekannt als NVDIMM-Karten (Non-Volatile Dual Inline Memory Module), verwendet das DIMM-Format (Dual Inline Memory Module) oder das SO-DIMM-Format (Small Outline DIMM).

Formate für Flash Storage

Flash-Speicher gibt es in den folgenden Formaten, die hier im Folgenden kurz umrissen werden.

NAND-Flash

NAND-Flash-Memory ist eine Art nichtflüchtiger Speichertechnologie. Ein wichtiges Ziel der NAND-Flash-Entwicklung war es, die Kosten pro Bit zu senken und die maximale Chipkapazität zu erhöhen, damit Flash-Memory mit magnetischen Speichergeräten wie Festplatten konkurrieren kann. NAND-Flash hat einen Markt in Geräten gefunden, auf die häufig große Dateien hochgeladen und ersetzt werden.

Zu den Arten von NAND-Flash gehören die folgenden:

• SLC (Single-Level Cell) speichert 1 Bit pro Zelle.
• MLC (Multi-Level Cell) speichert 2 Bits pro Zelle.
• eMLC (Enterprise MLC) speichert 2 Bits pro Zelle.
• TLC speichert 3 Bits pro Zelle.
• QLC speichert 4 Bits pro Zelle.
• 3D-NAND (oder vertikaler NAND) stapelt Zellen übereinander.

NOR-Flash

NOR-Flash bietet Memory-Adressierung auf Byte-Ebene und ermöglicht so echten Direktzugriff und gute Lesegeschwindigkeiten. Es war diese Adressierbarkeit, die Intel an NOR interessierte. Die Technologie entsprach den Anforderungen für BIOS- und Unified Extensible Firmware Interface (UEFI)-Anwendungen. NOR-Flash ist pro Gigabyte teurer als NAND, da die einzelnen Zellen größer sind. NOR hat auch langsamere Schreib- und Löschzeiten als NAND.

Sowohl NAND als auch NOR nutzen den Quantentunnelungseffekt von Elektronen, um Elektronen durch das dielektrische Isoliermaterial der Zellwand zu bewegen. Dies führt mit der Zeit zu einer Verschlechterung des Materials. NOR-Flash ist löschbar und eignet sich daher hervorragend als Ersatz für EEPROM- oder ROM-basierte Firmware-BIOS- und UEFI-Chips, bei denen Adressierbarkeit und Lesegeschwindigkeit von Vorteil sind und die Wiederbeschreibbarkeit weniger problematisch ist.

NAND bietet höhere Schreibgeschwindigkeiten als NOR-Flash und geringere Kosten pro Gigabyte. Die geringeren Kosten spiegeln das String-Design der NAND-Memory-Zelle wider, das Platz auf dem Chip spart und die Gesamtgröße eines Chips pro Gigabyte reduziert. NAND ist in den Formen SLC und MLC erhältlich, zu denen auch eMLC und TLC gehören. SLC speichert ein einzelnes Bit an Informationen pro Zelle. SLC bietet im Allgemeinen höhere Geschwindigkeiten – insbesondere beim Schreiben –, eine längere Lebensdauer und weniger Bitfehler. MLC bietet Speicherkapazität für mehr Daten, da seine Zelle mehr Ladungsstufen unterstützt, wodurch mehrere Datenbits pro Zelle gespeichert werden können. MLC kann die Kapazität gegenüber SLC verdoppeln; TLC bietet ein drittes Bit. Die zusätzlichen Ladungsstufen ermöglichen zusammen mit intelligenteren Flash-Controllern und Firmware auch die Korrektur von Bitfehlern.

New Technology File System (NTFS)

NTFS ist das Dateisystem für PCs mit einem modernen Windows-Betriebssystem, einschließlich Windows 10 und 11. NTFS wird zum Speichern und Abrufen von Dateien auf HDDs und SSDs verwendet, hat eine hohe Dateigrößenbeschränkung und ist mit Linux kompatibel.

Apple File System (APFS)

APFS ist das Dateisystem von Apple, das für Flash-SSD-Speicher optimiert ist. Es ersetzt das bisherige HFS+-Dateisystem von Apple für Macs. APFS-formatierte Laufwerke haben Kompatibilitätsprobleme mit älteren Macs, die HFS+ verwenden.

File Allocation Table (FAT)

FAT ist ein Dateisystem, das Microsoft entwickelt hat, um kleine Festplatten und einfache Ordnerstrukturen zu unterstützen. FAT ist mit Windows, Mac und Linux kompatibel, in den meisten heutigen Laufwerken zu finden und gehört zu den vielseitigsten Flash-Speicherformaten. Allerdings kann FAT nur einzelne Dateien mit einer Größe von maximal 4 GB akzeptieren.

Extensible File Allocation Table (exFAT)

exFAT ist eine neuere Version von FAT mit derselben Kreuzkompatibilität, aber einer viel größeren Dateigrößenbeschränkung von 16 Exbibytes (EiB).

Schnittstellen für Flash Storage

Die Open NAND Flash Interface Working Group entwickelt Standards für NAND-Flash-Chips. NAND-Flash-Hersteller – darunter SK Hynix und Micron – unterstützen diese Standards. Diese Standards ermöglichen die Interoperabilität zwischen NAND-Geräten verschiedener Anbieter.

Flash-Speicher für Computer-Arbeitsspeicher gibt es mit verschiedenen Schnittstellen, darunter die folgenden:

• USB4, die Version von USB, die 2019 eingeführt wurde, kann Daten mit 40 Gbit/s zwischen Geräten übertragen.
• SATA ist ein gängiges Format in Desktop- und Notebook-Computern; die 6-Gb-Version kann Bandbreitenengpässe beseitigen. Die Auslieferung von 12-Gbit/s-SAS-Geräten begann 2015. SAS-basierte SSDs werden häufig in Unternehmensspeichersystemen eingesetzt.
• PCIe-verbundene Flash-Speicher bieten ausreichend Bandbreite für zukünftige Erweiterungen und stellen das Extremende der geschwindigkeitsintensiven Angebote dar.
• Die NVMe-Technologie, die bei PCIe-basierten SSDs zum Einsatz kommt, reduziert die Latenz weiter, erhöht die I/O-Operationen pro Sekunde (IOPS) und senkt den Stromverbrauch durch die Optimierung des I/O-Stacks.

Flash im Rechenzentrum

Rechenzentren mit I/O-intensiven Anwendungen, wie Datenbanken mit hoher Transaktionsrate und Kreditkartenverarbeitungssysteme, setzen zunehmend auf Flash-Speicher als effiziente und kostengünstige Möglichkeit, den Durchsatz zu erhöhen, ohne weitere Server hinzuzufügen.

Große Hersteller von Speichersystemen bieten All-Flash-Systeme und Hybrid-Arrays an, die mit SSDs und HDDs ausgestattet sind. Zahlreiche Spezialisten für All-Flash-Speicher sind aufgetaucht, um die etablierten Anbieter herauszufordern. Mit Flash-Speicher ausgestattete Server werden immer häufiger eingesetzt und können die Latenz weiter reduzieren.

Rechenzentrumsmanager, die nach Möglichkeiten suchen, den mit HDDs verbundenen Energieverbrauch zu senken, prüfen Flash-Speicher, um Green-Computing-Benchmarks zu erreichen. Flash-SSDs bieten eine hohe Bandbreite bei deutlich geringerem Stromverbrauch als HDDs und sind daher eine gute Wahl für dieses Ziel.