NVM (Non-Volatile Memory)
Was ist Non-Volatile Memory (NVM)?
Ein Non-Volatile Memory (NVM) ist eine Art von Computerspeichermedium, das Daten auch dann behält, wenn keine Stromversorgung vorhanden ist. Die Halbleitertechnologie, die zum Bau solcher Geräte verwendet wird, stellt sicher, dass keine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist, um die im Gerät gespeicherten Daten oder den Programmcode zu erhalten. Sie wird auch als nichtflüchtiges Memory bezeichnet.
NVM-Typen
Viele Arten von nichtflüchtigen Speichern werden zum Lesen und Schreiben von Daten in und aus Unternehmens- und Verbrauchersystemen genutzt.
NAND-Flash ist eine der gängigsten Arten von NVM. Es gibt mehrere Varianten, darunter Single-Level Cell (SLC) mit einem Bit pro Zelle, Multi-Level Cell (MLC) mit zwei Bits pro Zelle, Triple-Level Cell (TLC) mit drei Bits pro Zelle und Quad-Level Cell (QLC) mit vier Bits pro Zelle.
Die Hersteller haben die NAND-Flash-Technologien mit dem Ziel weiterentwickelt, die Kosten pro Bit zu senken. Sie führten dreidimensionales (3D) NAND-Flash ein, was die Skalierungsschwierigkeiten von zweidimensionalem NAND eliminiert, welches nur aus einer einzigen Schicht von Speicherzellen besteht. Bei der 3D-NAND-Flash-Technologie werden die Speicherzellen in vertikalen Schichten gestapelt, um eine höhere Speicherdichte zu erreichen. Technologieanbieter arbeiten zudem an zusätzlichen NVM-Technologien, um die Kosten zu senken, die Leistung zu verbessern, die Speicherdichte zu erhöhen, die Ausdauer zu steigern und den Stromverbrauch zu senken. Heute sind auch einige Arten von NVM erhältlich, die programmiert, gelöscht und wiederbeschrieben werden können.
Vor NAND waren andere Formen von NVM im Einsatz, zum Beispiel Magnetkernspeicher und nichtflüchtiger Arbeitsspeicher (Non-Volatile RAM). Magnetkernspeicher, selbst eine Form von RAM, konnten Daten auf unbestimmte Zeit ohne Stromzufuhr speichern und waren relativ unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) oder Strahlung. Er war jedoch temperaturempfindlich, und die Fehlersuche in ihm erforderte die Ausführung komplizierter, zeitaufwändiger Diagnoseprogramme. Die meisten modernen RAM-Bausteine sind flüchtig, obwohl es für bestimmte Anwendungen auch nichtflüchtige RAMs gibt.
Anwendungsmöglichkeiten für nichtflüchtigem Speicher
Systemhersteller verwenden verschiedene Arten von nichtflüchtigen Speicherchips für eine Vielzahl von Zwecken. Eine Art von NVM kann beispielsweise den Programmcode des Controllers für Geräte wie Festplattenlaufwerke (HDDs) und Bandlaufwerke speichern. Eine andere Art von NVM wird häufig zur Datenspeicherung in Solid-State-Laufwerken (SSDs), USB-Laufwerken und Speicherkarten in Digitalkameras, Mobiltelefonen und anderen Geräten verwendet.
SSDs verwenden in der Regel einen NAND-Flash, um Blöcke zu speichern. SSDs haben keine beweglichen Teile und sind leistungsfähiger als mechanische Festplatten und Bänder, die einen Kopf zum Lesen und Schreiben von Daten auf magnetische Speichermedien verwenden. In SSDs verbessert NVM die Ladezeiten und die Reaktionsfähigkeit des Systems.
Einige andere Anwendungsszenarien für NVM sind die folgenden:
- Archivierungsspeicher.
- Embedded System.
- Industrielle Systeme.
- Digitale Werbetafeln.
- Automobile Systeme.
- KI-gestützte Systeme.
- Medizinische Geräte.
Im Allgemeinen ist NVM nützlich für die Speicherung von Firmware, Boot-Code, Konfigurationsdaten und anderen Arten von kritischen oder historischen Informationen, die bei Verlust zu ernsthaften Leistungsproblemen in einem Computersystem führen können.
Was ist der Unterschied zwischen flüchtigem Speicher und nichtflüchtigem Speicher?
Der Hauptunterschied zwischen flüchtigem und nichtflüchtigem Speicher liegt in ihrer Fähigkeit, Daten ohne kontinuierliche Stromversorgung zu bewahren. Flüchtiger Speicher, wie statischer RAM (SRAM) und dynamischer RAM (DRAM), benötigt eine ständige Stromzufuhr, um Informationen zu speichern. Ohne Strom gehen die Daten verloren. Manche Hersteller fügen Batterien hinzu, um kurzzeitige Stromausfälle zu überbrücken. Im Gegensatz dazu behält nichtflüchtiger Speicher (NVM) die Daten auch ohne Stromversorgung.
Beide Speichertypen haben spezifische Vor- und Nachteile. SRAM zeichnet sich durch hohe Geschwindigkeit aus und eignet sich besonders für schnelles Caching. DRAM, eine Weiterentwicklung von SRAM, ist kostengünstiger in der Produktion und energieeffizienter im aktiven Betrieb. Es wird häufig für den Hauptspeicher in Computern verwendet. Nichtflüchtiger NAND-Flash-Speicher ist zwar langsamer beim Lesen und Schreiben als DRAM und SRAM, aber deutlich günstiger in der Herstellung. Dies macht ihn zur bevorzugten Wahl für dauerhafte Datenspeicherung in verschiedenen Geräten.
Generell bietet flüchtiger Speicher höhere Geschwindigkeiten, verliert jedoch Daten bei Stromausfall. NVM speichert Daten dauerhaft, arbeitet aber langsamer. Trotzdem ist NVM schneller als herkömmliche Festplatten.
In der Praxis kombinieren viele Computer- und Unternehmenssysteme beide Speichertypen, um von den jeweiligen Vorteilen zu profitieren. Diese Kombination ermöglicht sowohl schnellen Datenzugriff als auch langfristige Datenspeicherung. Aufgrund dieser komplementären Eigenschaften wäre es zu vereinfachend, einen Speichertyp als generell besser zu bezeichnen. Die Wahl hängt vom spezifischen Anwendungsfall und den Anforderungen ab.
NVM und NVMe im Vergleich
Die Begriffe Non-Volatile Memory (NVM) und Non-Volatile Memory Express (NVMe) weisen zwar Ähnlichkeiten in ihrer Bezeichnung auf, unterscheiden sich jedoch grundlegend in ihrer Bedeutung und Funktion. NVM, ein Speichertyp, der seine Ursprünge in den späten 1940er Jahren hat, steht im Kontrast zu NVMe, einer modernen Host-Controller-Schnittstelle und einem Speicherprotokoll, das seit 2009 von einem Konsortium führender Technologieunternehmen entwickelt wird.
Die NVMe-Spezifikation 1.0 wurde am 1. März 2011 von der NVM Host Controller Interface Work Group veröffentlicht. Das primäre Ziel von NVMe ist es, die Datenübertragung zwischen Hostsystemen und SSDs über den PCIe-Bus eines Computers zu optimieren und zu beschleunigen. NVMe zeichnet sich durch seine Vielseitigkeit aus, da es die Verwendung verschiedener Arten von nichtflüchtigem Speicher unterstützt, einschließlich NAND-Flash und 3D XPoint, obwohl die letztere Technologie kaum noch eine Zukunft am Markt hat.
Im Vergleich zu etablierten Standards wie dem Small Computer System Interface (SCSI) und dem Advanced Technology Attachment (ATA), die bei SAS- beziehungsweise SATA-Laufwerken zum Einsatz kommen, bietet NVMe signifikante Vorteile. Ein wesentlicher Aspekt ist die Effizienz: NVMe benötigt weniger als die Hälfte der CPU-Anweisungen im Vergleich zu den SCSI- und ATA-Befehlssätzen. Dies führt zu einer deutlichen Leistungssteigerung bei NVMe-basierten PCIe-SSDs, die sich in geringeren Latenzzeiten, höheren IOPS und einem potenziell niedrigeren Stromverbrauch im Vergleich zu SAS- und SATA-basierten SSDs manifestiert.
Die Entwicklung von NVMe stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Speichertechnologie dar, indem es die Leistungsfähigkeit moderner SSDs voll ausschöpft und gleichzeitig die Effizienz der Datenverarbeitung in Computersystemen erheblich steigert.
