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Die Vor- und Nachteile von Flash Memory

Trotz zahlreicher Vorteile von Flash Memory werden rotierende Festplatten bis auf Weiteres ihren Platz in der Storage-Hierarchie bewahren, etwa als Sekundär-Storage für Backups.

NAND-Flash-basiertes Solid-State Storage hat innerhalb nur eines Jahrzehnts die Gestaltung von Storage-Infrastruktur in Unternehmen und privaten Umgebungen radikal verändert. Flash hat einen trägen Storage-Markt durchgeschüttelt, der gerade anfing, unter der Last der Technologien zu leiden, die in den 1950er Jahren entwickelt wurde.

Seit Solid-State Storage auftauchte, wirkt das Stapeln von Festplatten, um Kapazitäten zu erweitern, und das exklusive Beschreiben der äußeren Plattensektoren („Short Stroking“), um die Zugriffsgeschwindigkeit zu erhöhen, komplett anachronistisch.

Einige Vor- und Nachteile von Flash Storage waren von Anfang an klar erkennbar. Die ersten SSDs waren bedeutend schneller als jede verfügbare Festplatte, hatten aber nur begrenzte Kapazitäten und himmelhohe Preise.

Doch die NAND-Flash-Technologien entwickelten sich schnell weiter und die Industrie überwand viele der anfänglichen Nachteile von Flash Memory. Allerdings muss man bei der Entscheidung zwischen rotierenden Festplatten und Flash Storage einige wichtige Faktoren berücksichtigen. Es lässt sich aber auch beides kombinieren.

Vorteile von Flash Memory Storage

Wie schon der Name sagt, ist Flash Storage im Vergleich mit traditionellen magnetischen Speichermedien sehr schnell. Abhängig von den Kriterien der Leistungsmessung – Durchsatz, IOPS oder Latenz – übertrifft Solid States HDDs deutlich. Die Spanne reicht vom Zwei-bis Dreifachen bis zu mehreren Größenordnungen.

Während der Durchsatz von Flash, der meist in Megabytes gemessen wird, den von Festplatten leicht übertrifft, sind andere statistische Leistungsdaten von SSD noch viel eindrucksvoller. Abhängig von der Größe der Datenblocks kann eine schnelle HDD bis zu 200 IOPS bewältigen – bei einem SSD-Laufwerk sind die betreffenden Werte fünfstellig. Wer also Geschwindigkeit braucht, sollte ganz klar Flash wählen.

Einige physische Eigenschaften von Flash sind ebenfalls vorteilhafter als bei Festplatten. Flash-Laufwerke halten wahrscheinlich länger als Festplatten, da sie keine beweglichen Teile haben. Da sie ohne Motoren, Aktuatoren und schwere Platten auskommen, sind SSDs leichter als HDDs, verbrauchen erheblich weniger Strom und produzieren deshalb weniger Abwärme, was sich in geringerem Kühlaufwand niederschlägt. Da keine beweglichen Teile vorhanden sind, funktionieren SSDs zudem in mobilen Systemen erheblich verlässlicher.

Trotz aller beweglichen Teile haben sich in den letzten 70 Jahren die klassischen Festplattentechnologien ständig verbessert und inzwischen ein eindrucksvolles Niveau an Zuverlässigkeit und Haltbarkeit erreicht. Sie besitzen eine hochentwickelte Mechanik mit Stapeln rotierende Platten und Lese/Schreibköpfe, die diese Platten überqueren.

Abbildung 1: Die Vor- und Nachteile von Flash Memory im Vergleich zu Festplatten.
Abbildung 1: Die Vor- und Nachteile von Flash Memory im Vergleich zu Festplatten.

SSDs werden oft so gepackt, dass sie in die Slots für Festplatten passen. Allerdings dient die Verwendung der ursprünglich für Festplatten entwickelten Schnittstellen nur der Bequemlichkeit. Aktuelle Flash-Formfaktoren fassen dieselbe oder größere Kapazitäten in wesentlich kleineren Einheiten. So wird weniger Raum benötigt, um Petabytes Daten in den Racks der Rechenzentren unterzubringen.

Nachteile von Flash Memory Storage

Klein, schnell und leicht und dazu noch energiesparend – da kann man sich kaum irgendwelche Nachteile von Flash Memory vorstellen. Tatsächlich gibt es auch nicht viele, allerdings einen bedeutenden: die Kosten. Bezieht man die Kosten auf die Kapazität, kostet Flash Storage fünf bis acht Mal so viel wie eine konventionelle Festplatte vergleichbarer Kapazität.

Dabei sind die Preise über die Jahre schon erheblich gesunken, und natürlich wollen alle Vorteile von Flash Memory Storage  bezahlt sein. In bestimmten Implementierungen wird der Kostennachteil nahezu egalisiert. Das gilt besonders, wenn Flash Drives mit Short Stroking beschriebene Harddisks geringer Kapazität und mit 10K rpm ersetzen. Nur einige SSDs können die gleiche oder sogar eine bessere Leistung produzieren – aber ohne die Verschwendung und die Kosten von Short Stroking.

Immerhin fallen die NAND-Flash-Preise schon seit vielen Jahren stetig. Nichts deutet darauf hin, dass sich das ändert. SSSs werden vielleicht nie so günstig wie rotierende Festplatten. Doch je geringer der Preisunterschied wird, desto besser kommen ihre Vorteile zur Geltung.

Ein anderes kritisches Thema bei Flash Memory Storage ist die geringe Eignung für schreibintensive Workloads. Wie bei HDDs sinkt auch bei SSDs mit der Zeit die Qualität des Speichermediums. Bei Festplatten ist es einfacher, neue Daten über gelöschte zu schreiben, weil das Laufwerk die alten Daten nicht löscht, sondern nur Raum für neue Schreibvorgänge bereitstellt.

Bei NAND Flash Drives müssen alte Daten erst entfernt werden, bevor die neuen in die Speicherzellen geschrieben werden. Der Gesamtprozess heißt Program/Erase. Er verlangsamt das Schreiben und verschleißt die Medien stärker. Das Thema wurde mittels verschiedener Methoden angegangen. Vor allem wurde die Zahl der Prozesse beim Bereitstellen einer Zelle für erneutes Schreiben verringert.

Ein anderes Lebensdauerthema hängt mit der Architektur von NAND Flash zusammen. Die ersten SSDs speicherten ein Datenbit in jeder Flash-Zelle. Das Ergebnis war schnelles, langlebiges und teures Flash Storage.

Seitdem stieg die Zahl der Bits pro Zelle ständig an. Heute ist die Verwendung von Triple Level Cells (TLC), die drei Bits und Quad-Level Cells (QLC), die sogar vier Bits per Zelle speichern, normal. Diese aktuellen NAND-Generationen ermöglichen größere Kapazitäten und geringere Preise pro GByte. Gleichzeitig verlangsamen sie den Betrieb und erhöhen das Risiko, dass ein Bit in einer Zelle die Daten in einer benachbarten Zelle beeinträchtigt. Auch für dieses Phänomen wurden Controller-Technologien entwickelt. Deshalb steigt die Lebensdauer von Flash Memory stetig.

Da sie ohne Motoren, Aktuatoren und schwere Platten auskommen, sind SSDs leichter als HDDs, verbrauchen erheblich weniger Strom und produzieren deshalb weniger Abwärme, was sich in geringerem Kühlaufwand niederschlägt.

Die ersten Flash Memory Drives hatten wesentlich weniger Kapazität als HDDs. Deshalb setzte man sie meistens für besonders leistungshungrige Funktionen ein, die nicht viel Speicherraum erforderten. Aber mit Flash-Technologien wie QLC und 3D NAND haben sich die Kapazitäten von SSDs stetig erhöht und können nun mit rotierenden Festplatten mithalten. Bei beiden Technologien werden die Zellen auf NAND-Chips in Schichten gestapelt.

Das Beste beider Welten

Wegen ihrer sinkenden SSD-Preise und ihrer wachsenden Fähigkeiten sind SSDs heute allgegenwärtig vom Enterprise-Array über Server bis zu Laptops. Aber auch konventionelle Festplatten haben noch ihren Platz in der Speicherhierarchie.

Besonders geeignet sind sie für Sekundär-Storage-Applikationen wie Backup und Archivierung. Zwar nehmen All Flash Arrays (AFA) inzwischen einen gewissen Anteil des Enterprise-Markts ein. Doch es gibt noch viele Applikationen, die von einer hybriden Umgebung profitieren, in der Solid-State Storage mit hochkapazitiven und preisgünstigen Harddisks gekoppelt sind.

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