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Basiswissen: Standards für Flash Memory und Schnittstellen

Neue Technologien und deren Begriffe können schwer verständlich sein. Wir erklären die Terminologie und Standards rund um das Thema Flash Memory und Storage-Schnittstellen.

Jeder IT-Professionelle weiß, wie sehr wir in unserer Industrie von Abkürzungen überschüttet werden, und der Bereich Flash Storage stellt da keine Ausnahme dar. Doch das eigentliche Problem besteht darin, dass die ganze Industrie diese Abkürzungen so häufig benutzt und man kaum noch mit ihrer Entwicklung mitkommt. Die verschiedenen Methoden, wie die Standards von Flash Memory und Schnittstellen beschrieben werden, sind für die IT vital – besonders für die Installation dieser Technologie.

Zu allererst sollten IT-Professionelle verstehen, wie Flash Storage angeschlossen ist. Die meisten Flash-Hersteller sind heute eigentlich Softwareentwickler, selbst wenn sie schlüsselfertige Hardware liefern. Die Hardware besteht zum größten Teil aus einem Server, den ein Hersteller so konfiguriert, dass er eine größere Anzahl von Laufwerken als der typische Server unterstützt.

Wie sich diese Laufwerke im Server mit dem Prozessor verbinden, ist in dem Maße wichtig geworden, wie sich die Performance von Flash Memory Storage verbessert hat. Es ist außerdem wichtig, wie sich diese Flash-Systeme extern mit den unterstützten Anwendungsservern verbinden.

Interne Konnektivität

Die Technologie von Serial Attached SCSI (SAS) ist noch immer die vorherrschende Flash-Verbindung. Die Performance und Bandbreite von SAS werden weiter verbessert, aber die meisten Hersteller ersetzen schrittweise SAS durch Non-volatile Memory Express (NVMe).

Anders als SCSI verbessert der NVMe-Standard die Interaktion durch Memory Storage. Er unterstützt eine größere Befehlsmenge und Queue-Tiefe als SCSI, so dass das Flash-Laufwerk weniger Zeit mit dem Warten auf I/O-Anfragen verbringt. In den nächsten zwei Jahren oder etwas später wird NVMe SAS als die bevorzugte Verbindungslösung ersetzen.

Abbildung 1: Die Begriffe um Flash-Memory-Interface- und Transportstandards in Kürze erklärt.
Abbildung 1: Die Begriffe um Flash-Memory-Interface- und Transportstandards in Kürze erklärt.

Externe Konnektivität

Die Verbindung zwischen Anwendungsservern und dem Speichersystem ist ebenfalls entscheidend für die gesamte Performance. Sowohl Fibre-Channel(FC)- als auch Ethernet-basierte Protokolle wie Internet Small Computer System Interface (iSCSI) profitieren von zunehmender Bandbreite, aber diese ist nicht der einzige entscheidende Faktor für mehr Performance.

Die Latenzen spielen ebenso eine wichtige Rolle. Um die Latenzen oder Wartezeiten zu beeinflussen, besitzt NVMe eine Erweiterung mit Namen NVMe over Fabrics (NVMe-oF). Es gibt verfügbare Versionen von NVMe-oF für den Einsatz mit FC- und Ethernet-Netzwerken. Beide Protokolle stellen alle Vorteile von internem NVMe auch für den Netzwerkbereich zur Verfügung. Sie ermöglichen verteilten Speichersystemen eine ähnliche Performance wie bei lokalem Storage, während die Effizienz von Shared Storage erhalten bleibt.

Die Relation Bits pro Zelle verstehen

Bei Flash kommt es darauf an, alle Abkürzungen zu verstehen, die sich auf das Verhältnis von Bits pro Zelle beziehen. Im Laufe der Jahre haben Ingenieure immer mehr Methoden entwickelt, um mehr Daten auf die gleiche physische Fläche eines Flash-Bereichs zu schreiben. Die Zunahme von Bits pro Zelle erhöht die Flash-Dichte und senkt den Preis, aber reduziert auch die Haltbarkeit von Flash – je mehr Bits auf jede Zelle geschrieben werden, desto geringer fällt die Lebensspanne des Flash-Laufwerks aus.

Abbildung 2: Die unterschiedlichen NAND-Technologien im Überblick.
Abbildung 2: Die unterschiedlichen NAND-Technologien im Überblick.

Single-Level Cell (SLC) war die erste Generation der Flash-Technologie für Unternehmen: Wie ihr Name nahelegt, wird bei ihr ein Datenbit pro Zelle geschrieben. SLC war und bleibt die langlebigste aller Flash-Technologien. Ihr Einsatz in den Unternehmen hat jedoch zu dem widersprüchlichen Resultat geführt, dass sie zu langlebig und zu teuer für typische Anwendungsfälle ist.

Multi-Level Cell (MLC) war die zweite Generation der Flash-Technologie und ist trotz seines absolut ungeeigneten Namens der wesentliche Beweggrund für den Trend hin zu All-Flash-Speichersystemen. MLC schreibt zwei Bits pro Zelle und reduziert dramatisch die Kosten von Flash-Systemen – bis hin zu dem Punkt, dass sich All-Flash-Arrays von einem Wunschdenken zur Realität entwickelten.

Triple-Level Cell (TLC) ist die dritte Generation der Flash-Technologie und zum größten Teil die vorherrschende Technologie, die heute in Flash-Systemen verwendet wird. TLC schreibt, wie der Name suggeriert, drei Bits pro Zelle und hat erneut die Kosten von Flash Storage deutlich gesenkt. Als die Hersteller zuerst TLC als ein Konzept im Markt einführten, hatte die Industrie ironischerweise angenommen, dass diese Technologie nicht die erforderliche Lebensdauer für den Einsatz in Unternehmen haben würde. Als TLC marktreif wurde, stellte sich aber heraus, dass die meisten All-Flash-Hersteller mit der Haltbarkeit der aktuellen MLC-Arrays zufrieden waren. Trotz ihrer insgesamt niedrigeren Lebensdauer funktionierte die TLC-Technologie ausreichend für die meisten Unternehmen.

Quad-Level Cell oder QLC NAND ist die vierte Generation der Flash-Technologie, und hier werden vier Bits pro Zelle geschrieben. Sie hat ebenfalls die Kosten von Flash Storage dramatisch gesenkt. Die Lebensdauer von QLC mag nicht dem Unternehmensstandard entsprechen, aber das bedeutet nicht, dass Unternehmen keinen Nutzen aus dieser Technologie ziehen könnten. QLC eignet sich ideal für sequentielle Schreibvorgänge und Umgebungen mit erheblichen Leseanforderungen. Ihre Verwendung in Unternehmen findet sich meistens bei besonderen Anwendungsfällen, in denen ältere Daten oder Daten für lese-intensive Workloads zu einem QLC-basierten System verschoben werden.

Es gibt auch einige Hersteller, die QLC- mit TLC-Flash kombinieren, um eine neue Art von hybrider Flash-Technologie zu schaffen. In diesem Fall wird ein aktives Daten-Set zuerst auf TLC-Flash geschrieben und dann bei zunehmendem Alter auf QLC verschoben. Anders als bei herkömmlichen hybriden Arrays, die Festplatten benutzen, verschiebt die Tiering-Software nicht nachfolgende Schreibvorgänge von der niedrigeren auf die höhere Schicht. Sie werden stattdessen direkt von der niedrigeren QLC-Ebene gelesen. Die Performance von QLC-Reads ist fast so schnell wie bei der höheren Schicht und in einigen Fällen ist die Lese-Performance sogar schneller, da sich in der Regel mehr Laufwerke in der niedrigeren QLC-Schicht befinden.

Penta-Level Cell (PLC) wird die nächste Generation von Flash-Drives sein. PLC wird die Kapazität eines QLC-Laufwerks um 25 Prozent übertreffen, so dass ein QLC Flash-Laufwerk mit 256 GByte zu einem PLC Flash-Drive mit 320 GByte werden wird. Wie es schon bei QLC der Fall ist, werden die zusätzlichen Bits pro Zelle die Haltbarkeit dieser Laufwerke verringern. PLC ist zunächst ideal für Konsumenten, wird aber höchstwahrscheinlich auch seinen Weg in die Welt der Unternehmen finden.

Hybride Flash-Arrays stellen wie gesagt eine Option dar, aber das Array müsste drei Ebenen des Verschiebens unterstützen – TLC zu QLC zu PLC –, um sicherzustellen, dass die auf PLC geschriebenen Daten wirklich „kalt“ sind. Es wird auch spezifische Anwendungsfälle geben, bei denen Unternehmen Workload-Daten zu PLC-Flash verschieben, für die nur Lese-Prozesse nötig sind.

Alle diese Standards können etwas Verwirrung stiften. Für die meisten Unternehmen sind TLC-basierte Systeme ideal. Sicher, ein System, das zum Beispiel zwischen TLC- und QLC-Schichten verbinden kann, wird Unternehmen in die Lage versetzen, die Flash-Kosten insgesamt ohne nennenswerte Performance-Verluste zu senken. SAS und NVMe werden nebeneinander bestehen können. Irgendwann wird SAS in die Jahre kommen, aber das wird unproblematisch für Unternehmen sein, solange sie ihre Systeme upgraden können und man NVMe-basierte Technologie zum gleichen Preis wie SAS finden wird. In fünf Jahren wird das primäre Speichersystem eines Rechenzentrums wahrscheinlich aus einer Kombination von TLC, QLC und eventuell PLC bestehen, die mit einem NVMe-Netzwerk verbunden sind.

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