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Hoch-kapazitive und hoch-performante SSDs auf dem Vormarsch

Wegen ihrer geringen Latenz, ihres effektiveren Befehlssatzes und anderen Vorteilen ersetzen NVMe-SSDs in den Unternehmen immer öfter konventionelle Speichermedien.

SSDs haben inzwischen magnetische Festplatten bei Unternehmens-Workloads nahezu vollständig verdrängt und werden nun zunehmend zu einer ernsthaften Option für die Speicherung von Massendaten. Während heute insgesamt noch immer mehr HDDs ausgeliefert werden als SSDs, ist abzusehen, dass sich dieses Verhältnis innerhalb der nächsten ein bis zwei Jahre umkehren wird.

SSDs haben bei Durchsatz und Latenz, verglichen mit HDDs, große Vorzüge. Allerdings konnten sie die Möglichkeiten der in ihnen verbauten NAND-Flash-Bausteine nicht voll ausnutzen, so lange sie kompatibel mit den Schnittstellen und Formaten von HDDs bleiben mussten.

Das gilt insbesondere für die Laufwerksschächte im 2,5-Zoll-Format (SFF) und das I/O-Format von SATA (Serial ATA). Doch nun ändert sich die Situation: NVMe-basierte SSDs verbreiten sich in Unternehmen. Sie sind direkt an den PCI-Systembus angebunden. Das beeinflusst den gesamten Festplattenmarkt.

SATA raus, NVMe rein

Statista schätzt, dass 2021 zum ersten Mal mehr SSDs als HDDs ausgeliefert werden. Laut Research and Markets wächst der Markt für Enterprise Flash Storage in den kommenden Jahren 17 Prozent jährlich und soll im Jahr 2024 ein Volumen von etwa 25 Milliarden Dollar umfassen.

Der Verkauf wird durch die vier Hyperscaler – Alibaba, AWS, Google und Microsoft – angekurbelt. In dieselbe Richtung wirken Colocation-Rechenzentren, die heute viele Unternehmens-Rechenzentren ersetzen.

Bislang konnte Flash-Storage am besten mit Enterprise-Festplatten mithalten, indem Flash-Systeme die bestehenden physischen und Schnittstellenstandards der Festplatten übernahmen. SSDs mit SAS- und SATA-Schnittstellen dominierten den Markt bis vor einigen Jahren. Gegen Jahresende 2017 allerdings explodierte plötzlich der Einsatz von Hochleistungs-SSDs und überschritt die Gesamtkapazität von Enterprise-SATA-Drives Mitte 2018.

Es gibt diverse Gründe, die leistungsstärkeren NVMe-SSDs SATA-Laufwerken vorzuziehen:

  • Das NVMe-Protokoll wurde für NAND-Flash und andere nichtflüchtige Halbleiterspeicher der nächsten Generation wie 3D XPoint, etwa Intel Optane, oder magnetoresistive Arbeitsspeicher wie die von Everspin und Avalanche Technology entwickelt. NVMe besitzt ein optimiertes I/O-Protokoll und beseitigt andere begrenzende Faktoren der HDD-Protokolle.
  • NVMe unterstützt bis zu 64.000 Warteschlangen mit je bis zu 64.000 Einträgen. Bei SATA waren es nur 32, bei SAS 254. NVMe ist zudem für den Multicore-Zugriff von Prozessoren auf das Memory optimiert. Damit können mehrere Rechenkerne gleichzeitig die einzelnen Queues benutzen. Das Protokoll erfordert auch kein I/O-Locking und hat weitere Funktionen, durch die die Leistung mit der Zahl der Cores eines Systems skalieren kann.
  • Der Befehlssatz von NVMe ist einfacher und schlanker mit weniger Overhead als bei SAS und SATA. Er braucht weniger Prozessorbefehle pro I/O-Anfrage als HDD-Protokolle. Diese Effizienz ermöglicht mehr I/O-Operationen pro Sekunde und geringere Verzögerung. Zum Befehlssatz gehören auch komplexere Funktionen wie Reservierungen und Energiemanagement. Dadurch steigt die Systemeffizienz weiter.
  • NVMe unterstützt effizient I/O-Virtualisierungstechnologien wie Single-Root-I/O-Virtualisierung. Diese Technik für die Kommunikation mit und zwischen virtuellen Maschinen in Microsoft Hyper-V-Umgebungen senkt Latenzen und erhöht den Durchsatz. Dazu bietet sie ausführliche Fehlerberichte und Managementfunktionen.

Die heutigen Devices sind nicht nur mehrfach geschichtet. Sie können auch noch mehrere Spannungs-Niveaus pro Speicherzelle auslesen.

Laut Eric Burgener, Vice President Research bei IDC, wird sich NVMe in diesem Jahr zur Basistechnologie für Storage in Unternehmen entwickeln. Immer mehr Workloads werden NVMe brauchen. Die Gründe sind die geringe Latenz, der hohe Durchsatz, die Speicherdichte und die erheblich schnellere Wiederherstellung der Storage Arrays.

Dichteres, schnelleres Flash Memory

Wie dynamischer RAM (DRAM) arbeitet Flash Memory, indem es feststellt, ob eine Speicherzelle elektrisch geladen ist oder nicht. Anders als DRAM verwendet Flash eine Speicherstruktur, die diese Ladung nicht verliert, sobald der Chip von der Energieversorgung abgekoppelt wird, ist also nichtflüchtig (Non-volatile).

Frühe Flash-Designs verwendeten spezielle Transistoren, Floating Gates aus leitfähigem Polysilizium, die von isolierendem Siliziumdioxid umgeben waren, um die Elektronen während des Schreibens einzufangen. Der betreffende Prozess ist als Fowler-Nordheim-Tunneling bekannt. Diese flachen Strukturen reichten viele Jahre lang aus. Allerdings limitierte die zweidimensionale Struktur die Dichte der Speicherzellen im Array.

Mit dem Übergang zu dreidimensionalen Strukturen im Siliziumsubstrat lassen sich nun Flash Devices höherer Kapazität bauen. Sie haben mehrere Schichten und Säulen, in denen mehrere Speicherzellen übereinander gelagert sind. Diese Designs kombiniert man mit Speicher mit neuer Ladung und Isolationsmaterialien und erhält innovative Speichermechanismen, die die Ladung quasi „einfangen“.

Die heutigen Devices sind nicht nur mehrfach geschichtet. Sie können auch noch mehrere Spannungsniveaus pro Speicherzelle auslesen. Dadurch speichern diese Zellen mehr als ein Bit und erhöhen so die Kapazität. In NAND-Storage aus Single-Level Cells (SLC) repräsentieren die Zellen, deren Floating-Gate-Transistor geladen ist, Nullen, und die Zellen ohne Ladung Einsen.

Die Entwicklung des NAND-Speichers im Überblick.
Abbildung 1: Die Entwicklung des NAND-Speichers im Überblick.

Multi-Level Cells (MLC) können bereits drei dezidierte Spannungsniveaus an die Speicherzelle anlegen, die vier möglichen Status oder zwei Bits entsprechen. Mit der Zeit wurden die Prozesstoleranzen und die Schreibschaltkreise noch genauer, so dass die Genauigkeit inzwischen für sieben oder mehr Spannungslevel reicht. Das ermöglicht Devices aus Triple- (TLC) oder Quad-Level Cells (QLC). Letztere können 16 Spannungslevel pro Zelle speichern.

Die Physik fordert aber wie üblich ihren Preis in Gestalt von Nachteilen. Bei erhöhter Bitdichte pro Zelle besteht er in reduzierter Geschwindigkeit und Haltbarkeit. So dauert es erheblich länger, MLC, TLC und QLC zu programmieren und zu lesen, denn die Programmierzyklen erfordern mehrere Schritte.

Ganz ähnlich bedeuten die geringeren Abstände und Toleranzen zwischen den diversen Ebenen und damit Bitstatus, dass nur ein sehr viel geringerer Stromverlust nötig ist, damit eine Zelle nicht mehr zwischen den einzelnen Spannungsebenen unterscheiden kann und so unbrauchbar wird. Beispielsweise erlauben die meisten SLC-Devices etwa 100.000 Schreib-/Lesezyklen, ein QLC-Device dagegen übersteht unter Umständen nur 100 Zyklen.

Einsatzszenarien

Die Abwägung zwischen Speicherdichte, Leistung und Haltbarkeit bedeutet, dass SLC-Devices für schreibintensive Datenbankanwendungen, Datenanalyse, Modelltraining beim Deep Learning oder Boot-Laufwerke die bessere Alternative sind. TCL- oder QLC-Devices dagegen passen zu leseintensiven Applikationen wie Filesharing oder Archivierung. Die Haltbarkeit von SSDs wird häufig in Schreibvorgängen pro Tag angegeben. Dieser Wert beziffert, wie oft jede Zelle des Speicherbausteins an einem Tag (24h) während der gesamten Lebensdauer des Laufwerks beschrieben werden kann.

Intel bietet die leistungsstarken EDSFF SSDs.
Abbildung 2: Intel bietet die leistungsstarken EDSFF SSDs.

Durch NVMe stehen Hochleistungs-SSDs für Unternehmen heute in diversen Formen zur Verfügung. NVMe-Devices entsprechend dem U.2- und U.3-Standard haben dasselbe Format wie traditionelle 2,5-Zoll-SFF-HDD-Laufwerke.

Allerdings können sie alternative Pinbelegungen verwenden, die die PCIe-Schnittstelle unterstützen. Alternativen wie M.2, PCIe-Karten und Intels EDSFF (Enterprise & Datacenter SSD Form Factor oder Ruler-Drives) realisieren hohe Kapazität in einem kompakten Format, indem sie die minimale Größe von Flash-Chips optimal nutzen.

Bei den Kapazitäten gibt es je nach Zelltyp und Format eine große Spannweite. So fassen kapazitätsoptimierte Enterprise-Laufwerke auf Basis von QLC-Zellen zwischen 7,5 und 15,4 TByte.

Nächste Schritte

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