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Leitfaden Flash-Speicher: Architektur, Typen und Produkte

Die Flash-Speichertechnik findet sich in einer Vielzahl von Verbraucher- und Enterprise-produkten, von Mobiltelefonen bis zu USB-Speicherkarten. Ein Leitfaden durch die Technik.

Flash-Speicher für Unternehmen spielen eine immer wichtigere Rolle bei Speicher-, Server- und Netzwerktechnologien in Rechenzentren. Die Flash-Technologie ist in der Regel auch in andere Produkte eingebettet – und inzwischen überall zu finden.

Dieser Leitfaden für Flash-Speicher befasst sich mit den Verwendungsmöglichkeiten von Flash Storage, der Geschichte dieser Technologie sowie ihren Vor- und Nachteilen. Der Leitfaden bietet auch einen Überblick über die verschiedenen Flash-Varianten, von Single-Level-Cell-Chips bis hin zu 3D-NAND (NAND bezieht sich auf das Logikgatter mit der Funktion „nicht und“, das die Grundlage für die Funktionsweise der Zellen bildet). Außerdem wirft der Beitrag einen Blick auf die Zukunft dieser weitreichenden Technologie.

Wofür wird Flash-Speicher verwendet?

Flash-Speicher werden am häufigsten für die Speicherung und den Transport von Daten verwendet. In einer ganzen Reihe von Produkten für Endverbraucher werden Flash-Speicher als primäre Speichermedien eingesetzt, darunter Telefone, Kameras und Tablets, um nur einige Beispiele zu nennen. Aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Stromverbrauchs eignen sich Flash-Speicher gut für den Einsatz in mobilen Verbrauchergeräten. In der Tat haben Verbraucheranwendungen dazu beigetragen, das Wachstum des Marktes für Flash-Technologie voranzutreiben.

Der Begriff Flash-Speicher (englisch sowohl Flash-Memory als auch Flash-Storage genannt) wird für alle Laufwerke, Speicher oder Systeme verwendet, die Flash-Technologie nutzen. Produkte für Endverbraucher sind typischerweise Flash-Speichergeräte, darunter die beliebten USB-Speichersticks und USB-Laufwerke. In Computersystemen sind Flash-basierende SSDs (Solid State Disks, Platten mit Festkörperspeicher) üblich. SSDs werden so bezeichnet, weil sie keine beweglichen Teile haben. Sie sind in Notebooks weit verbreitet und werden auch bei einigen Anbietern von Desktop-PCs als Festplattenoption angeboten.

In den letzten Jahren sind SSDs auch in die Rechenzentren eingezogen. Dort wird immer häufiger Flash-Speicher in Form von All-Flash-Arrays der Unternehmensklasse eingesetzt. Die ersten Implementierungen von Flash-Speicher konzentrierten sich auf die Beschleunigung von I/O-intensiven Anwendungen – nach wie vor beliebte Kandidaten für Flash-Speicher.

Amanda Regnerus, Vizepräsidentin für Marketing und Produktentwicklung bei U.S. Signal, einem Anbieter von Cloud- und Colocation-Diensten mit Sitz in Grand Rapids, Michigan (USA), nannte virtuelle Desktop-Infrastrukturen, Datenbanken und Anwendungen, die eine geringe Latenzzeit erfordern – darunter elektronische medizinische Aufzeichnungssysteme – als Arbeitslasten, die sich für Flash-Speicher eignen.

„Das sind die wichtigsten Anwendungen, auf die wir stoßen, wenn wir über den Einsatz von Flash-Speichermedien nachdenken“, sagt sie.

„Flash hilft bei Anwendungen, die auf Latenzzeiten reagieren, beim Betrieb von Datenbanken und generell bei allen Anwendungen, die eine hohe Arbeitslast und hohe Anforderungen an den Datendurchsatz haben", fügt Sean McGrath, Architekt und CTO bei InterVision, dem IT-Dienstleister aus Santa Clara hinzu.

Sinkende Kosten und zunehmende Speicherdichte haben es Unternehmen ermöglicht, die Nutzung von (im direkten Vergleich mit drehenden Festplatten immer noch teuren) Flash-Speichern von ausgewählten, einzelnen Anwendungsfällen auf allgemeine Unternehmens-Workloads auszuweiten. Sinkende Preise erleichtern es Rechenzentren, weitere Flash-Speichersystem für die Bewältigung künftiger Aufgaben zu kaufen.

„Es gibt immer noch Anwendungsfälle für herkömmliche, drehende Festplatten. Nämlich dann, wenn die Aufgaben nur geringe Anforderungen an die IT stellen“, sagt McGrath und ergänzt: „Falls ein Kostenvergleich jedoch günstig ausfällt, ist die Frage 'Warum nicht Flash?' zulässig, damit Unternehmen ihre Workloads zukunftssicher betreiben können.“

„Wir werden noch länger Unternehmen sehen, die drehende Festplatten einsetzen“, sagt Scott Sinclair, Senior Analyst bei der Enterprise Strategy Group (ESG), einem Marktforschungsunternehmen mit Sitz in Milford, Massachusetts (USA). Sinclair: „Ich glaube nicht, dass Festplatten verschwinden werden. Wir werden nur sehen, dass Flash mehr und mehr zur Standardwahl wird.“

Flash und das digitale Unternehmen

Der Aufstieg des „digitalen Unternehmens“ fördert ebenfalls die Einführung von Flash-Speichern. Zu den Trends, die einen schnelleren Datenzugriff erfordern, gehören maschinelle Lernprozesse und High-Level-Analysen.

„Wir sehen einen enormen Bedarf am Zugang zu Daten“, so Sinclair. Das treibe die Entwicklung und Verbreitung von Flash an.

Sinclair sagt, dass die Untersuchungen von ESG eine gewisse Korrelation zwischen Unternehmen, die sich selbst als digitale Unternehmen wahrnehmen, und einem höheren Einsatz von Flash-Technologie gezeigt haben. Für Unternehmen, bei denen die effektive Nutzung von Daten enger mit dem Geschäftserfolg verknüpft ist, bedeutet die Möglichkeit, Daten schneller zu nutzen, einen größeren Geschäftserfolg, stellt er fest.

„Sie werden von leistungsfähigeren Infrastrukturlösungen wie Flash angezogen“, so Sinclair: „Mit der zunehmenden Digitalisierung der Unternehmen steigt der Wert der Flash-Leistung, und sie sind bereit, mehr für diese Leistung zu bezahlen.“

Zeitgleich mit dem Trend zu digitalen Unternehmen ist der Preis für Flash gesunken. Die Flash-Speichertechnologie ist so für einen immer größeren Teil der Arbeitslasten in einem höheren Prozentsatz von Unternehmen realisierbar. Das gilt selbstverständlich auch für digitale Unternehmen, die bislang schon geneigt waren, in Flash-Speicher zu investieren.

„Daraus ergibt sich ein Multiplikatoreffekt“, fasst Sinclair die Konvergenz der Marktkräfte zusammen.

Vorteile von Flash-Speicher

Die Geschwindigkeit bei den Lese-Schreib-Zugriffen ist einer der offensichtlichsten Vorteile von Flash-Speicher im Vergleich zu magnetischen Medien. Rich Castagna, freiberuflicher Autor und Kommentator im Bereich Speicher, sagt, dass Flash der HDD- (Hard Disk Drive-) Technologie weit überlegen ist, insbesondere in Bereichen wie IOPS (Input/Output operations Per Second). Eine SSD könne eine Leistung von mehreren zehntausend IOPS bieten, während eine schnelle HDD vielleicht bis zu 200 IOPS erreichern könne, so Castagna.

Flash-Speicher können sich auch als langlebiger erweisen als HDDs, also die mechanischen Geräte mit sich drehenden Platten und anderen beweglichen Komponenten. Die Zuverlässigkeit von Flash-Speichern ist auf dem Markt für mobile Geräte besonders wichtig. Da es keine beweglichen Teile gibt, können die Laufwerke durch Stürze kaum beschädigt werden. SSDs verbrauchen außerdem weniger Strom und erzeugen weniger Wärme als HDDs.

Nachteile von Flash-Speicher

Ein Nachteil der Flash-Technologie waren und sind die Kosten. Laut Castagna kostet Flash-Speicher bezogen auf die Kapazität fünf- bis achtmal mehr als eine HDD mit vergleichbar großem Speicherplatz. Obwohl Flash in den letzten Jahren zu den traditionellen Speicherprodukten aufgeschlossen hat, ist der Preis für einige Anwendungen nach wie vor ein wichtiger Faktor.

Hinzu kommt, dass Flash-Speichergeräte bei starker Schreibbelastung Verschleißerscheinungen aufweisen. Eine wiederholte Nutzung über einen längeren Zeitraum hinweg führt unweigerlich zu einer Verschlechterung einer SSD. HDDs nehmen bei intensiver Nutzung ebenfalls ab, aber Flash-Speicher stehen in dieser Hinsicht vor einer anderen Herausforderung. Flash-Laufwerke, wie sie in Unternehmensspeichergeräten verwendet werden, müssen alte Daten entfernen, bevor neue Daten hinzugefügt werden können. Dieser Prozess verlangsamt die Schreibvorgänge und erhöht die Abnutzung. HDDs definieren die Bereiche für neue Schreibvorgänge, anstatt alte Daten zu löschen.

Mit hybriden Flash-Arrays, die HDD- und SSD-Speicher kombinieren, können Unternehmen die Möglichkeit, die Preis- und Leistungsvorteile nutzen, die die beiden Technologien jeweils bieten. Die Hybrid-Arrays erlauben es den Speichermanagern, die Workloads zu verteilen: Daten, auf die häufiger zugegriffen wird, werden auf dem schnelleren Flash-Speicher abgelegt. Daten, auf die weniger häufig zugegriffen wird, werden auf HDDs untergebracht. Die Leistung für die „heißen Workloads“ wird so gesteigert, während die Kosten für die Speicherung „kalter Workloads“ sinken beziehungsweise niedrig bleiben.

Abbildung 1: Zu den Vorteilen von Flash-Speichern gehören Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit.
Abbildung 1: Zu den Vorteilen von Flash-Speichern gehören Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit.

NOR vs. NAND

Flash ist eine nichtflüchtige Speichertechnologie, das heißt die Aufrechterhaltung des Zustands einer Speichereinheit benötigt keinen Strom. Es gibt zwei Arten von Flash-Speicher: NOR Flash (die Funktion der Zellen basiert auf dem Logikgatter mit der Funktion „nicht oder“) und NAND Flash (die Funktion der Speicherzellen basiert auf dem Logikgatter mit der Funktion „nicht und“, das die Grundlage für die Funktionsweise der Zellen bildet). Beide verwenden Floating-Gate-Transistoren als Basis für Speicherzellen, die Daten speichern.

NOR-Flash war der erste Flash-Speicher-Typ. NOR-Flash kam 1988 auf den Markt. Bei NOR sind die Speicherzellen parallel geschaltet, was einen wahlfreien (random) Zugriff ermöglicht. NOR-Flash-Speicher zeichnen sich durch schnelle Datenlese- und langsamere Lösch- und Schreibgeschwindigkeiten aus. Im Allgemeinen speichert die NOR-Technologie ausführbaren Boot-Code und unterstützt Anwendungen, die häufiges zufälliges Lesen kleiner Datenmengen erfordern.

NOR-Flash wird in der Industrierobotik, in medizinischen Geräten, wissenschaftlichen Instrumenten, IoT-Geräten und in tragbaren Geräten für Endverbraucher eingesetzt, so der Technologie-Berater Robert Sheldon.

NAND-Flash-Memory folgte NOR bei der Markteinführung etwa ein Jahr später. NAND ist beim Lesen langsamer als NOR, benötigt aber weniger Zeit für Lösch- und Schreib-Zugriffe, also beim Speichern neuer Daten. NAND bietet außerdem eine höhere Speicherkapazität zu geringeren Kosten als NOR. Das Haupteinsatzgebiet dieser Technologie ist daher die Datenspeicherung.

Ein Hauptziel der NAND-Entwicklung war es, die Kapazität der Speicherchips zu erhöhen und die Kosten pro Bit zu senken. Flash-Speicher sollte so wettbewerbsfähiger gegenüber magnetischen Speicher-Laufwerken werden. Allerdings stoßen Speichergeräte, die auf dieser Technologie basieren, an Grenzen bei der Ausdauer.

NAND-Flash kann nur eine bestimmte Anzahl von Programmier-/Löschzyklen (P/E Cycle, Program/Erase) unterstützen, das heißt den Prozess des Löschens von Daten, bevor neue Daten geschrieben werden. Speicherhersteller verwenden verschiedene Methoden, um die P/E-Zyklen zu reduzieren und die P/E-Belastung auszugleichen, mit dem Ziel, die Haltbarkeit von NAND-Flash-Speichern zu verbessern.

Arten von Flash-Speicher

NAND-Flash-Speicher werden in verschiedene Typen unterteilt, die durch die Anzahl der pro Flash-Speicherzelle verwendeten Bits definiert sind. Zu den NAND-Flash-Speichertypen gehören Single-Level Cell (SLC), bei dem in jeder Zelle ein Bit gespeichert wird, Multi-Level Cell (MLC), bei dem zwei Bits gespeichert werden, Triple-Level Cell (TLC), bei dem drei Bits gespeichert werden, Quad-Level Cell (QLC), bei dem vier Bits gespeichert werden, und Penta-Level Cell (PLC), bei dem fünf Bits gespeichert werden.

Abbildung 2: Zu den Arten von NAND-Flash-Memory gehören SLC; MLC, TLC und QLC.
Abbildung 2: Zu den Arten von NAND-Flash-Memory gehören SLC; MLC, TLC und QLC.

Jeder Flash-Speichertyp hat seine eigenen Merkmale, Stärken und Schwächen, die bestimmen, wie und wo er eingesetzt wird.

Abbildung 3: Die Eigenschaften von NAND-Flash unterscheiden sich in Bezug auf Leistung, Ausdauer, Dichte, Fehlerwahrscheinlichkeit und Preis.
Abbildung 3: Die Eigenschaften von NAND-Flash unterscheiden sich in Bezug auf Leistung, Ausdauer, Dichte, Fehlerwahrscheinlichkeit und Preis.

SLC: Leistung hat ihren Preis

SLC bietet im Vergleich zu anderen NAND-Typen die höchste Leistung, Ausdauer und Zuverlässigkeit. Diese Vorteile sind jedoch mit einem höheren Preis verbunden. Gewerbliche und industrielle Anwendungen gehören zu den Spitzenreitern bei der Nutzung von SLC, da Unternehmen in diesen Sektoren eher bereit sind, einen Aufpreis für die Vorteile dieses NAND-Flash-Speichertyps zu zahlen.

Im Allgemeinen geht jedes zusätzliche Bit, das einer Speicherzelle hinzugefügt wird, mit Einbußen bei der Leistung, der Ausdauer und der Zuverlässigkeit einher, und zwar auf allen Ebenen des Kontinuums von SLC, MLC, TLC, QLC und PLC. Die Leistung leidet, weil jedes zusätzliche Bit mehr Zeit zum Schreiben und Lesen einer Zelle benötigt, sagt Marc Staimer, Gründer und Präsident von Dragon Slayer Consulting in Beaverton, Oregon (USA). Darüber hinaus stellt er fest, dass jedes zusätzliche Bit die Ausdauer um eine Größenordnung reduziert: Während SLC mit 10.000 Schreibzyklen an der Spitze der Flash-Speicher steht, ist PLC für etwa 10 Schreibzyklen ausgelegt.

MLC, TLC: Günstigere Bausteine mit höherer Dichte

Die Vorteile zusätzlicher Bits in jeder Speicherzelle sind eine höhere Dichte und niedrigere Kosten. Der Preis von MLC macht es für Hersteller von Geräten der Unterhaltungselektronik, zum Beispiel PCs, attraktiv. MLC für Unternehmen bietet jedoch mehr Schreibzyklen als MLC für Endverbraucher, was es zu einer Option für schreibintensivere Anwendungen macht.

TLC hingegen bietet im Vergleich zu MLC eine noch höhere Speicherdichte, allerdings auf Kosten einer geringeren Leistung, Ausdauer und Zuverlässigkeit. Auch TLC findet in der Unterhaltungselektronik eine Nische.

QLC: Geeignet für Lese-intensive Workloads

Die Betrachtung von QLC- und TLC-NAND als einzige Alternativen in einer Entscheidung könnte der falsche Weg sein. Die beiden Technologien lassen sich durchaus als komplementär betrachten. Tatsächlich unterscheidet sich die Marktpositionierung der QLC-Technologie etwas von der der TLC-Technologie. QLC NAND konzentriert sich auf Arbeitslasten mit vielen Lese-Zugriffen und füllt eine Nische zwischen TLC-Flash und HDDs, so der Berater und Technologe Kurt Marko unter Berufung auf einen technischen Bericht von Micron Technology.

Die Charakteristik für intensive Lese-Zugriffe von QLC macht diese Flash-Technologie für Unternehmensanwendungen wie Datenanalyse und maschinelles Lernen geeignet. Brien Posey, Autor und ehemaliger CIO, merkte an, dass analytische Workloads in der Regel enorme Mengen an Informationen lesen, die Daten aber nicht verändern. Weitere mögliche Anwendungen für QLC-NAND in Rechenzentren ist das Medien-Streaming, wo SSDs mit dieser Technologie die Kapazität und Geschwindigkeit haben, um Videodateien zu hosten. Auch für aktive Archive, wo Daten online und zugänglich bleiben, eignen sie sich laut Posey.

Speicheraufgaben fast jeder Art, sofern die Lese-Zugriffe dominieren Anwendungen unterstützen, können geeignete QLC-Workloads sein, bemerkt Sheldon. Er nennt das Beispiel von NoSQL-Datenbanken, die große Mengen an Daten und Metadaten enthalten, als eine Technologie, die von QLC-NAND profitieren könnte.

Posey vertritt indes die Ansicht, dass QLC die richtige Wahl für Unternehmens-Desktops sein könnte, um einen Leistungsschub zu erreichen. Er verweist auf das bescheidene Preisniveau der Technologie und die Verwendung integrierter Schreib-Caches, um die Leistungseinschränkungen von QLC auszugleichen. Ein Unternehmen kann die alternde Festplatte eines Desktop-PCs gegen eine QLC-basierte SSD austauschen und so die Leistung erheblich verbessern. Unternehmen, die diesen Ansatz verfolgen, könnten auch in der Lage sein, ihren nächsten Desktop-Technologie-Erneuerungszyklus zu verzögern und dabei – zumindest vorübergehend – Kosten zu vermeiden.

Im Allgemeinen bietet QLC-NAND-Flash niedrigere Kosten pro Gigabyte, was die Speichertechnologie im Vergleich mit anderen Flash-Sorten zu einer erschwinglichen Option macht. Die Kosten können für Organisationen, die auf Unternehmensebene einkaufen, ein entscheidender Faktor sein.

„Insbesondere QLC ermöglicht zusätzliche Anwendungsfälle mit Flash-Speicher höherer Dichte“, so Scott Webb, Global Storage Practice Manager bei World Wide Technology in Maryland Heights, Missouri (USA). „Es gibt immer noch einen Bedarf an Software und Anwendungen, um die geringere Standfestigkeit von Flash-Speichern der niedrigeren Kategorien zu berücksichtigen. Wir sehen dies bereits und glauben, dass die Nachfrage danach noch weiter steigen wird.“

PLC: Flash für Archive

Zu guter Letzt haben wir PLC-Flash dessen Charakteristik sich mit „begrenzte Lebensdauer, aber niedrige Kosten pro Gigabyte“ zusammenfassen lässt. Als solches zielt PLC auf Archivierungsanwendungen und kühle bis kalte Daten. Laut Staimer von Dragon Slayer Consulting fallen PLC-Flash-SSDs in die gleiche Klasse wie andere Write-Once-Read-Many-Technologien (WORM).

3D-Flash-Speicher

Mit dem Wechsel von der Planar- zur 3D-Technologie haben Flash-Hersteller einen weiteren Weg, den Preis und die Kapazität von Flash zu verbessern. 3D-NAND-Flash stapelt Speicherzellen vertikal in mehreren Schichten. Diese Methode der Schichtung von Speicherzellen erhöht die Speicherdichte. Zudem sinkt der Preis pro Gigabyte. 3D-NAND eignet sich für alle geschäftlichen und privaten Einsatzszenarien, für die auch planares NAND verwendet werden kann.

Abbildung 4: Die Grundstruktur von 3D-NAND umfasst abwechselnde Schichten aus leitendem Silizium und isolierendem Siliziumdioxid.
Abbildung 4: Die Grundstruktur von 3D-NAND umfasst abwechselnde Schichten aus leitendem Silizium und isolierendem Siliziumdioxid.

Der Hauptvorteil von 3D-Flash-Speichern ist die höhere Kapazität auf kleinerem Raum. Der größte Nachteil sind die höheren Herstellungskosten – allerdings sind die Preise für diese Technologie gesunken.

Ein weiterer Aspekt von 3D-NAND ist die Charge-Trap-Technologie. Viele Hersteller von 3D-Flash-Laufwerken verwenden das Charge-Trap-Verfahren, das eine höhere Ausdauer als Laufwerke mit Floating-Gate-Zellen bietet. Laut Sheldon unterstützt die Charge-Trap-Technologie auch schnellere Lese-/Schreibvorgänge und senkt den Energieverbrauch.

Flash Memory vs. RAM

Flüchtig betrachtet wirkt Flash Memory so, als ob die Technologie mit RAM vergleichbar wäre. Schließlich verwenden sowohl Flash- als auch RAM-Memory ganz ähnliche mikroelektronische Strukturen und fallen deshalb in die Kategorie der Festspeicher (Solid State Storage).

Doch Flash-Speicher und RAM spielen in einem Computersystem aufgrund ihrer Leistung, Kosten und Herstellungsmethoden unterschiedliche Rollen. Die Hauptanwendung von Flash ist, wie oben erwähnt, das Ablegen von Daten. RAM hingegen führt Berechnungen mit den aus dem Speicher abgerufenen Daten durch.

Bei einem Vergleich von Preis und Leistung ist RAM schneller als Flash, kostet aber mehr. Von den beiden RAM-Typen ist der statische RAM die schnellste und teuerste Option, die in der Regel als Cache-Speicher in der CPU eines Computers verwendet wird. Der gegenüber dem statischen RAM im Cache langsamere und billigere dynamische RAM (DRAM) dient als primärer Arbeitsspeicher eines Computers. Aus historischer Sicht war es der Preisübergang zwischen DRAM und NAND im Jahr 2004, der den Anstoß für die breite Einführung von Flash Memory gab. Die NAND-Preise fielen zu diesem Zeitpunkt unter die Kosten von DRAM.

Der günstigere Flash-Speicher unterscheidet sich von RAM auch dadurch, dass er nicht flüchtig ist. Aufgrund des geringeren Stromverbrauchs, der Langlebigkeit und des niedrigeren Preises eignet sich Flash-Speicher unter anderem für die Verwendung als Speicher in SD-Karten, USB-Laufwerken und SSDs.

Flash-Memory-Standards

Neben der grundlegenden Einteilung in SLC, MLC, TLC gibt es Standards für Flash-Speicher. Interne und externe Standard für die Konnektivität sind ebenfalls erwähnenswert, da sich die bislang typischen Verbindungsansätze ändern.

Abbildung 5: Zu den Flash-Standards gehören unter anderem SAS, NVMe und NVMe-oF.
Abbildung 5: Zu den Flash-Standards gehören unter anderem SAS, NVMe und NVMe-oF.

Was die interne Konnektivität anbelangt, so ist SAS nach wie vor der führende Flash-Interconnect, aber die Anbieter ersetzen die SAS-Technologie allmählich durch NVMe, so George Crump, ehemaliger Präsident von Storage Switzerland, einem IT-Analystenunternehmen mit Schwerpunkt auf Speicher und Virtualisierung. NVMe bietet den Vorteil, dass es für die Interaktion mit dem Speicher optimiert ist.  Das Flash-Laufwerk verbringt daher weniger Zeit mit dem Warten auf I/O-Anfragen, was den Weg dafür ebnet, dass NVMe SAS als Verbindungsmethode ablöst, so Crump.

Ein weiterer wichtiger Standard ist NVMe-oF mit den Versionen für Fibre Channel und Ethernet-Netzwerke. NVMe-oF zielt auf externe Konnektivität ab und bietet zugleich die Vorteile von internem NVMe über das Netzwerk.

Was beim Kauf von Flash-Speicher zu beachten ist

Als die Technologie neu war, empfahlen viele Berater, in den Überlegungen zu Flash-Speicheroptionen eine technische Bewertung zu vermeiden.

„Bevor wir überhaupt über eine Technologie oder ein bestimmtes Produkt sprechen, ist es wichtig, die Einsatzmöglichkeiten kennenzulernen, und zu verstehen, was beim Einsatz von Flash erreicht werden kann“, so Webb von World Wide Technology: „Storage-Tiering ist nach wie vor extrem wichtig, wobei mehrere Flash-Tiers ebenso zur Verfügung stehen wie traditionelle Festplatten und Tape.“

Unternehmen sollten auch die Gewohnheiten der Nutzer beziehungsweise der Applikationen beim Zugriff auf die Daten berücksichtigen.

„Auf etwa 80 Prozent der produktiv genutzten Daten wird nicht regelmäßig zugegriffen“, so Webb: „Wir wollen die Bedarfe der Kunden bei den Datenzugriffen und hinsichtlich der Leistung verstehen und die Architektur unter diesem Gesichtspunkt entwickeln.“

Darüber hinaus neigen IT-Einkäufer dazu, Speichersysteme als Ganzes zu betrachten, statt das Thema von der Technologieseite Flash anzugehen.

„Typischerweise hängen die gewählten Speicherlösungen von einigen anderen Indikatoren und Funktionen ab, nicht so sehr von einer Technologie wie Flash“, so McGrath von InterVision.

Stattdessen werden Anschaffungsentscheidungen aufgrund von Überlegungen wie Datenmanagement, Hybrid-Cloud-Strategie und -Integration, Workload-Handling, Data-Protection-Funktionen, Multiprotokoll-Anwendungsfälle, Snapshots, Verschlüsselung, virtuelle Integration und Präsentation sowie Anwendungsintegration getroffen, fügt er hinzu.

„Leistung und Funktionsumfang ähneln einander bei den verschiedenen Anbietern heute sehr“, so Webb: „Was Kunden derzeit interessiert, ist die Verwaltung von Cloud-Daten, das heißt sie haben Daten in einer – oder mehreren – Public Clouds, vor Ort und bei Cloud-nahen Anbietern wie Equinix untergebracht. Die Kunden brauchen einfache Management-Lösungen.“

Kommt man schließlich dazu, sich mit den Details der verschiedenen Flash-Speicherlösungen zu beschäftigen, sind einige Besonderheiten zu berücksichtigen. Eine dieser Besonderheiten sind die SSD-Formfaktoren. Schon früh in der Entwicklung von Flash-Speichern für Unternehmen wurde der 2,5-Zoll-SATA-Formfaktor bei SSD-Anbietern beliebt, die den Übergang von HDD zu SSD erleichtern wollten. Der SATA-Standard wurde für die Datenübertragung von Festplatten entwickelt. „Der weit verbreitete SATA-Formfaktor ermöglichte es Unternehmen, neue Laufwerke schrittweise einzuführen, und die 2,5-Zoll-Größe ermöglichte es, dass eine SSD problemlos in einen Laptop- oder Desktop-Laufwerksschacht passt“, merkt Berater Sheldon an.

Ein kleinerer SATA-SSD-Formfaktor, der als mSATA (Mini-SATA) bezeichnet wird, zielt auf Laptops, Notebooks, Tablets und andere Geräte mit eingeschränktem Stromverbrauch ab. Der M.2-Formfaktor folgte auf mSATA und bietet, so Sheldon, einen noch kleineren SSD-Formfaktor mit höherer Leistung und größerer Speicherkapazität als mSATA-Laufwerke.

SSDs können auch die Form von Add-in-Karten annehmen, die in den PCIe-Steckplatz des Motherboards eines Computers eingesteckt werden.

Die Umstellung des Marktes auf NVMe-basierte SSD-Hochleistungstechnologie ist ein weiterer Aspekt von Flash, den IT-Einkäufer berücksichtigen sollten. Laut Berater Marko sind NVMe-SSDs, die direkt an den PCIe-Systembus angeschlossen werden, in Unternehmen immer häufiger anzutreffen. SSDs, die sich HDD-Formfaktoren und -Schnittstellen einhalten, haben das Potenzial von NAND-Flash nicht ausgeschöpft.

NMVe-SSDs bieten einen Vorteil gegenüber SATA-Laufwerken, weil das NVMe-Protokoll für nichtflüchtige Halbleiterspeicher wie NAND-Flash entwickelt wurde. Da NVMe als Interconnect für Flash-Disks und -Arrays immer beliebter wird, bieten NVMe-oF-Produkte inzwischen eine praktikable Option für NVMe-basierten Shared Storage. Das Ökosystem der NVMe-oF-Technologie ändert sich ständig.

Anbieter und Produkte

Die Anbieter von NAND-Flash-Speichern unterscheiden sich in ihrem Portfolio. „Einige Hersteller bieten Allzweck-Flash-Speicher an, während andere Unternehmen sich auf bestimmte Marktsegmente spezialisieren“, sagt der ehemalige CIO Posey.

Einige Anbieter offerieren eine Reihe von Produkten, die sowohl Unternehmens- als auch Verbraucheranwendungen abdecken. Intel zum Beispiel zielt mit seinem Optane Persistent Memory NAND-Flash-Produkt und den Optane DC SSDs auf die Unternehmensklasse ab. Das Unternehmen bietet aber auch NAND-Speichergeräte an, die auf Consumer-Produkte ausgerichtet sind. Kioxia stellt SSDs für Unternehmen, Clients und Rechenzentren her, während das SSD-Portfolio von Samsung auf den Unternehmens- und Verbrauchermarkt ausgerichtet ist.

Was die Vermarktung anbelangt, so können Anbieter Flash-Speicherprodukte an andere Anbieter verkaufen, die die Technologie in ihr Speicherangebot einbetten, oder Speichergeräte unter ihrer eigenen Marke verkaufen. Anbieter wie Micron Technology verfolgen beide Ansätze.

Die Variabilität in den NAND-Flash-Angeboten der Anbieter zeigt sich auch in der Preisgestaltung. Obwohl sinkende Kosten die allgemeine Regel für NAND-Flash-Preise sind, ist das tatsächliche Muster zu einem bestimmten Zeitpunkt schwer zu bestimmen. Analysten des Speichermarktes liefern unterschiedliche kurz- und langfristige Vorhersagen für die NAND-Preistrends. Der Schweinezyklus, begründet durch Unterschiede bei der Nachfrage und der Verfügbarkeit, auch aufgrund von Liefer- und Logistikproblemen, lassen die NAND-Preise schwanken. Darüber hinaus können makroökonomische Trends und globale Ereignisse – wie die Coronapandemie im Jahr 2020 – die Nachfrage nach Flash-Speicher und damit auch die Preise beeinflussen.

Die Zukunft des Flash-Speichers

Die Zukunft des Flash-Speichers deutet auf eine größere Kapazität hin, da die Anbieter ihre Pläne zur Erhöhung der Anzahl von 3D-NAND-Flash-Schichten und zur Steigerung der Bitdichte vorantreiben, so Sheldon. Zu den weiteren zu erwartenden Trends gehört der zunehmende Einsatz von QLC-Laufwerken im Unternehmensspeicher, zumindest für leseintensive Arbeitslasten.

Entwicklungen wie NVMe und NVMe-oF werden dazu beitragen, dass Flash-Speicher ihr Potenzial für höhere Leistungen voll ausschöpfen. Die Entwicklung von Flash wird sich auch auf andere Technologien auswirken, zum Beispiel Storage Class Memory (SCM). „SCM stellt eine neue Speicher-/Speicherebene im Unternehmen dar, die zwischen SSDs und DRAM existiert und darauf abzielt, latenzempfindliche Anwendungen zu unterstützen“, so Sheldon.

Laut Sinclair von ESG wird die Einführung von NVMe-oF „die Möglichkeit bieten, mehr Speicherklassen und Medientypen mit geringerer Latenz zu nutzen“.

Die Fortschritte bei der Flash-Speicherung offenbaren jedoch andere Leistungshindernisse, zu Beispiel den CPU-Chokepoint. Staimer von Dragon Slayer Consulting behauptet, dass die CPUs nicht mit den Leistungssteigerungen von NVMe und NVMe-oF mithalten können, und merkt an, dass SCM das Problem nur noch verschärfen wird, da es die CPU stärker belastet.

Sinclair sagt, dass „die Entwicklung von Flash darauf hindeutet, dass Engpässe nicht völlig verschwinden – sie werden nur woanders hingelenkt.“ Die Beseitigung von Leistungsbarrieren bei Speichermedien und Netzwerken könnte den Druck schließlich auf die Anwendungen – und die Softwareentwickler – übertragen.

„Optimieren sie ihre Anwendungen, um die Vorteile dieser leistungsfähigeren Infrastruktur zu nutzen?“, fragt Sinclair: „Das wird die wirklich interessante Frage sein, wenn sich die Branche weiterentwickelt.“

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