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Vorteile und Einschränkungen unterschiedlicher NAND-Speicher
Lesen Sie hier von den Unterschieden zwischen verfügbarem Flash-Storage bei Kapazität, Leistung und Zuverlässigkeit, wenn es darum geht, einen effizienten SSD-Speicher zu wählen.
Flash-Speicher, auch als NAND oder SSDs bekannt, sind weiter ein wichtiges Thema für IT-Verantwortliche. Man findet diese in Speicher-Arrays, in Network Attached Storage (NAS), Appliances, Laufwerken und PCIe Memory Cards. Flash-SSDs sind schnell ein Teil jeder Diskussion über Storage-Akquisitionen geworden, aber eine Kaufentscheidungen zu treffen, kann schwierig sein.
Es gibt sehr überzeugende Gründe für Flash einschließlich Performance, Energieleistung, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, um Flash-Technologien wie Single-Level Cell (SLC), Multi-Level Cell (MLC), Triple-Level Cell (TLC), Quad-Level Cell (QLC) und sogar Penta-Level Cell (PLC) einzusetzen.
Wie geht man am besten vor? In diesem Artikel gehen wir näher auf jede dieser Technologien ein, mit der Ausnahme von PLC. Die Technologie von PLC wird immer noch weiter verbessert. Aktuelle Fabrikationsrenditen sind zu niedrig, um kosteneffektiv ausliefern zu können, aber man kann davon ausgehen, dass sich dies mit der Zeit verbessern wird. Es bleiben also SLC, MLC, TLC und QLC näher zu betrachten. Bevor wir tiefer einsteigen, hier ein paar Faustregeln für die Auswahl der geeigneten SSD-Technologie:
- Kapazität: Je nach Zustand nimmt sie um das Zweifache für jeden zusätzlichen Bit pro Zelle zu.
- Latenz: Verdoppelt sich für jeden Bit pro Zelle, so wie es auch bei der Energie geschieht.
- Schreibdauer: Nimmt in der Größenordnung für jeden zusätzlichen Bit pro Zelle ab.
- Fehler: Nehmen für jeden Bit pro Zelle zu, wobei die Menge an Error Correction Code in dem SSD-Controller zunimmt.
Was bedeutet dies alles? Wenn die niedrigste Latenz erforderlich ist, ist SLC eine gute Wahl. Auch hier sind proprietäre Lösungen wie zum Beispiel Samsung Z-NAND oder Intel Optane Storage Class Memory – auch als 3D XPoint bekannt – vielleicht die bessere Wahl mit niedrigeren Latenzzeiten und höherer Haltbarkeit, wenn auch zu deutlich höheren Kosten. Wenn die höchstmögliche Kapazität zusammen mit ausreichender Lese- und Schreiblatenz besonders vielversprechend sind, ist QLC die beste Wahl. Obwohl die höhere Zuverlässigkeit und Schreibdauer von TLC ein attraktiverer Faktor als die niedrigeren Kosten und höheren Kapazitäten von QLC sein können.
Der Nachteil, der Flash-SSDs etwas ausgebremst hat, besteht darin, dass sie im Allgemeinen auf der Basis von Dollar pro Gigabyte teurer sind als Festplatten. Sie sind dagegen generell billig, wenn man ihren Durchsatz auf Basis Dollar pro IOPS oder Dollar pro Gigabyte misst. Aber letztendlich ist Kapazität das entscheidende Kriterium. Erzeugen und Vorhalten von Daten sind durch den vermehrten Einsatz von IoT, 5G, KI und Machine Learning auf einer exponentiell steigenden Kurve.
1. Kosten versus Kapazität
Die Antwort der Flash-Industrie auf die Kosten- und Kapazitätsprobleme von Flash-SSDs geht in zwei sich gegenseitig nicht ausschließende Richtungen. Die eine besteht im Hinzufügen von Bits pro Zelle oder Memory-Zelle. Jede Zelle kann eine bestimmte Anzahl von Bits aufnehmen. Jedes Bit wird als eine 1 oder 0 aufgezeichnet. Jedes Bit, das zu der Zelle hinzugefügt wird, erhöht exponentiell die Kapazität der Zelle durch 2n der Anzahl der Zustände, die eine Zelle haben kann, wobei „n“ der Anzahl der Bits in der Zelle entspricht. SLCs sind dann 21 oder 2 Zustände; MLCs sind 22 oder 4 Zustände; TLCs entsprechen 23 oder 8 Zuständen; QLCs sind 24 oder 16 Zustände; und PLCs entsprechen 25 oder 32 Zuständen. Die gleiche Wafer-Größe produziert die doppelte Dichte wie die vorherigen Bits pro Zellentechnologie. Dadurch erhöht sich die Kapazität, während die Kosten pro Gigabyte reduziert werden.
Die zweite Richtung der Erhöhung der Kapazität besteht in der Verschiebung von ebener 2D-Technologie zu 3D. Die 3D-Technologie versetzt NAND-Zellen in die Lage, mehr Schichten einzunehmen. Es dauerte einige Zeit für die NAND-Hersteller, mit 3D-Schichten zurechtzukommen. Sie können inzwischen 3D NAND Flash-Chips in der Regel mit 96 und mehr Schichten liefern. Die 3D-Technologie erhöht in großem Maß die Kapazitäten von Flash-SSDs, während sie erneut die Kosten per Gigabyte senkt. Es ist wichtig anzumerken, dass es noch keine 3D-SLC-Chips gibt.
Mehr Bits pro Zelle und mehr Schichten pro Chip erhöhen die Kapazitäten von Flash-SSDs, während sie die Kosten pro Gigabyte reduzieren. Hervorzuheben ist, dass sich die Dichte der Kapazität von Flash-SSDs sehr schnell verbessert hat. Diese Innovationen haben ihren Preis und können deutliche Nachteile verursachen.
2. Nachteile bei Fehlern und Performance
Mehr Bits pro Zelle haben einen klaren negativen Einfluss auf Fehler, Performance, Lebensdauer und Zuverlässigkeit dieser Zellen. Jedes zusätzliche Bit pro Zelle beansprucht mehr Zeit zum Schreiben auf eine Zelle und zum Lesen von ihr. Und dies erfordert mehr elektrische Spannung, um die elektrischen Zustände in der Zelle zu erzeugen und zu unterscheiden.
Diese Problematik entsteht, weil der zusätzliche Zustandswert es schwieriger macht, eine positive Wertbestimmung zu erzielen. Hinzu kommt, dass höhere Temperaturen noch mehr Verlust an Elektronen in den Zellen verursachen, weil die Anfälligkeit wegen der erforderlichen Unterscheidung der diversen Zustände erhöht ist. Das Resultat ist eine engere Bandbreite der Betriebstemperaturen in dem Maße, wie die Bits pro Zelle zunehmen. Und dies führt zu einer viel höheren Fehlerrate oder Datenkorruption.
Das führt zu dem direkten Effekt, dass der Flash-Controller mit jedem zusätzlichen Bit deutlich mehr an umfassender Technologie zur Fehlerkorrektur enthalten muss. Da die Anforderungen an die Fehlerkorrektur zunehmen, erhöht sich auch die erforderliche Zeit, um die Fehlerkorrekturen mit jedem zusätzlichen Bit durchzuführen. Dies ist ein wesentlicher Grund dafür, dass mit der steigenden Anzahl von Bits pro Zelle die Latenz zunimmt und die IOPS abnehmen. Die 3D-Schichten erhöhen die IOPS pro Flash-Chip, aber wirken sich nicht auf den Anstieg der Latenzzeit aus.
Die Performance von Flash-SSDs ist von weit mehr beeinflusst als lediglich den Flash-NAND-Zellen. DRAM oder Persistent Memory Cache im Laufwerk hat einen großen Einfluss auf die SSD-Performance genauso wie die Über-Provisionierung von Flash-SSDs.
Mehr über NAND Flash Memory
NAND Flash ist eine destruktive Memory-Technologie. Jedes Mal, wenn eine Memory-Zelle überschrieben werden soll, muss sie zuerst gelöscht werden.
Flash-NAND ist keine magnetische Technologie. Um sie zu löschen, ist es erforderlich, eine Schicht des Memory-Trägermaterials zu zerstören. Leseprozesse verursachen keine Beanspruchung von Memory-Zellen. Deshalb besteht die Faustregel bei Flash-NAND darin, dass Schreibprozesse teuer, Leseprozesse kostenfrei sind.
Schreibprozesse können eine lange Zeit beanspruchen, wenn sie auf den Löschvorgang warten müssen. Über-Provisionierung bedeutet, dass es eine Gruppe von neuen oder früheren Zellen gibt, die auf neue Schreibvorgänge warten – die Schreibprozesse müssen also nicht Schlange stehen.
Die Flash-SSD beobachtet fortlaufend die so genannten Progra/Erase-Blöcke. Wenn Daten auf einem solchen Block älter werden, weil neuere Versionen der Daten auf einen anderen P/E-Block geschrieben wurden, stellt der Controller der Flash-SSD eine Garbage Collection (Löschsammlung) zusammen. Diese Löschsammlung nimmt die veralteten Blöcke und löscht sie, womit sie in den Pool von verfügbaren Program/Erase-Blocks zurückkehren.
Die Schnittstelle von Flash-SSDs hat ebenfalls einen Einfluss auf die Performance. NVMe ist eine wesentlich schnellere Schnittstelle als SATA oder SAS. Die Shared-Storage-Architektur und -Schnittstelle spielt ebenfalls eine Rolle. Architekturen mit DRAM, Storage Class Memory, SLC Caching oder Storage Tiering werden die Performance verbessern. Die Verbindungen von Storage Networking sind ebenfalls ein Faktor, der ins Gewicht fällt. Auch NVMe-oF on Ethernet, Fibre Channel, InfiniBand oder TCP/IP werden die Performance verbessern. Es dreht sich nicht nur um die Technologie der SSD.
3. Nachteile bei Lebensdauer und Zuverlässigkeit
Jedes Bit, das zu den Flash-NAND-Zellen hinzugefügt wird, reduziert die Lebensdauer um eine Zehnerpotenz oder das Zehnfache. Die Lebensdauer von Flash-NAND-Zellen wird mit der Anzahl an Schreibprozessen gemessen, bevor die Zelle verschlissen ist. Bei SLC geht man von ungefähr 100.000 Schreibzyklen pro Zelle aus. MLC wird auf ungefähr 10.000 Schreibzyklen geschätzt. Bei TLC geht man von ungefähr 1.000 Schreibzyklen aus. QLC wird auf ungefähr 100 Schreibzyklen geschätzt. Und bei PLC geht man von ungefähr 10 Schreibzyklen aus.
Die Lebensdauer von Zellen und von Flash-SSDs sind nicht identisch. Die zwei größeren Faktoren, die die Lebensdauer von Flash SSD beeinflussen, sind die Effektivität des Abnutzungsalgorithmus des Flash-Controllers und die Gesamtzahl von Flash-NANDs in der SSD. Die auf Flash-SSD bezogenen Kapazitäten beziehen sich nicht auf die gesamte Flash-Kapazität in der SSD. Es gibt einen deutlichen Betrag von Überkapazität an Flash-NAND innerhalb der SSD.
Diese Über-Provisionierung dient zum Ersatz von abgenutzten Memory-Zellen. Der konkrete Betrag von Flash-SSD-Über-Provisionierung variiert. Allgemein gilt, wenn die Bits pro Zelle zunehmen, dann gilt es auch für die Flash-SSD-Über-Provisionierung. Größere Kapazitäten entsprechen mehr verschleißfesten Zellen, was die SSD-Lebensdauer erhöht.
Die Lebensdauer von Flash SSDs wird gewöhnlich gemessen in geschriebenen Terabytes oder Terabytes Written (TBW). Sie wird auch festgelegt als die Anzahl der Drive Writes Per Day (DWPD), wobei sich DWPD in TBW überträgt. Hersteller drücken ihre Garantieangaben in DWPD oder TBW aus. Kurz gefasst dreht es sich um die Anzahl der Daten, die auf eine Flash SSD bis zum Ende ihrer Lebensdauer geschrieben werden können.
Zum Beispiel hat ein 3D-TLC-Laufwerk mit einem Terabyte eine geschätzte und garantierte Laufzeit von 0,66 Drive Writes pro Tag und ungefähr eine Bewertung von 1.200 TBW. Das bedeutet eine Menge Schreibprozesse in diesem Zeitrahmen.
Aber was passiert, wenn es sich um ein 1-Terabyte-Laufwerk von 3D QLC handelt? Es wird viel weniger kosten, aber es wird wahrscheinlich eine viel niedrigere DWPD und eine TBW von nur ungefähr 10 Prozent oder 120 TBW haben. Diese Zahl kann ansteigen, wenn die Menge an Über-Provisionierung ebenfalls zunimmt.
SLC, MLC, TLC, QLC und PLC: Wie man das auswählt, was den eigenen Bedürfnissen entspricht
Die richtigen Speicherlaufwerke an Flash-NAND auszuwählen, heißt, vor allem Faktoren wie Kapazität, Kosten, Performance sowie Nachteile bei Fehlern und Lebensdauer im Entscheidungsprozess abzuwägen.
PLC-Flash-SSDs besitzen im Allgemeinen die geringsten Kosten pro Gigabyte, allerdings mit ernsthaften Begrenzungen der Lebensdauer. Die Performance wird besser sein als bei jeder Festplatte und deutlich niedriger als bei jeder anderen Art von Flash-SSDs. PLC ist offensichtlich geeignet für das Speichern von Daten, die sich nicht oft ändern – wenn überhaupt; gemeint sind Archivdaten oder kaum gebrauchte Daten. PLC-Flash-SSDs befinden sich in derselben Kategorie wie verschiedene andere Write Once Read Many (WORM)-Technologien.
Wenn eine Anwendung die bestmögliche Performance benötigt, sind SLC-Flash-SSDs die beste Wahl. Jedoch ist die Art des Speichergeräts, das SLC benutzt, entscheidend. Ein Storage-Array, das SLC-Flash-SSDs als Cache oder als Medium für Primary Storage einsetzt, wird nicht deutlich schneller als ein Speichergerät sein, das MLC- oder TLC-SSDs verwendet.
Dies liegt an dem Latenzengpass im Datenpfad der SSDs, einschließlich dem SATA- oder NVMe-Controller, dem Controller des Speichersystems und dem Speichernetzwerk. Außerdem spielt es eine Rolle, ob das System NVMe-oF zwischen dem Anwendungsserver und dem Speichersystem einsetzt und wie der Bus des Anwendungsservers funktioniert.
Die Performance-Unterschiede in diesem Szenario von SLC- gegenüber MLC-SSDs werden es schwierig machen, sie kostenmäßig zu rechtfertigen. Im Gegensatz dazu demonstriert eine SLC-PCIe-Karte in einem Applikationsserver oder einer SLC-basierten Data-Caching-Appliance, die an ein Speichernetzwerk angeschlossen ist, den außerordentlichen Performance-Vorteil gegenüber gleichwertigen MLC-Produkten. Dieses SLC-Beispiel ist leichter zu rechtfertigen.
Zu entscheiden, welche Art von Flash-Storage-Technologie und welches Gerät anzuwenden sind, geht nur mit einem sorgfältigen Abwägen der Nachteile. Ist die besondere Performance notwendig? Ist Kapazität wichtiger? Welche Rolle spielen die Kosten bei der Entscheidung? Was geschieht mit der Software, die Flash-Technologie effektiv nutzen kann? Verbraucht sie mehr CPU-Zyklen für Anwendungen? Man beachte, dass NVMe Flash Cards die höhere Performance durch einen höheren Verbrauch an CPU-Ressourcen von bis zu 20 Prozent ausgleichen.
Im Folgenden ein paar allgemeine Faustregeln in Bezug auf SSDs, man sollte aber im Gedächtnis behalten, dass diese Faktoren individuell für die jeweilige Umgebung näher betrachtet werden sollten.
- Wenn beschleunigte Performance von Anwendungen den absolut höchsten Stellenwert einnimmt – bei gleichzeitiger niedrigster möglicher Latenz – und die Preise sind keiner kritischen Betrachtung wert, dann sind NVMe-SLC-Flash-SSDs eine sehr gute Wahl. Sie stehen nicht allein zur Auswahl, so wie es noch vor ein paar Jahren der Fall war. Laufwerke mit 3D XPoint Storage Class Memory sind bis zu vier Mal schneller – bei bis zu zehn Mal höheren Kosten. Persistent Memory Modules für Rechenzentren, die im direkten Anwendungsmodus laufen, sind mehr als zehnmal schneller – bei bis zu zehnmal höheren Kosten.
- Wenn die Beschleunigung von Anwendungen wichtig ist, aber die Kosten ein Problem sind, stellen MLC, TLC und in einem geringeren Ausmaß auch QLC brauchbare Alternativen dar.
- Wenn ein Shared-Storage-System mit hoher Performance erforderlich ist, dann ist die Architektur des Speichersystems wichtiger als nur die Flash-SSD-Medien. Wie Daten in einem Cache oder in einer Speicherschicht abgelegt werden – zum Beispiel per NVMe-oF Interconnect on Ethernet, Fibre Channel, InfiniBand oder TCP/IP – ist die größere Anforderung. SLC, MLC, TLC, QLC und PLC sind alle brauchbar. Ein paar auf dem Markt erhältliche Systeme, wie zum Beispiel jene von Vast Data, haben dies mit QLC unter Beweis gestellt.
- Wenn die Kosten pro Gigabyte vorrangig sind, Performance wichtig, aber nicht sehr wichtig ist, und die Schreibdauer keinen bedeutenden Faktor wegen Caching und Zusammenführung von Schreibprozessen darstellt, dann sind MLC, TLC und wahrscheinlich auch QLC die richtige Wahl.
