Design, Typen und Produkte: Die Grundlagen zu Flash Memory

Wofür wird Flash Memory verwendet?

Flash Memory wird häufig für Storage und Datentransfer verwendet. Im Verbrauchersektor werden Flash-Speicher in einer Reihe von Geräten eingesetzt, darunter Telefone, Kameras und Tablets, um nur einige Beispiele zu nennen. Aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Stromverbrauchs eignet sich Flash Memory gut für den Einsatz in mobilen Verbrauchergeräten. In der Tat haben Verbraucheranwendungen dazu beigetragen, das Wachstum des Marktes für Flash-Technologie voranzutreiben.

Flash Memory bezieht sich auf alle Laufwerke, Repositories oder Systeme, die Flash verwenden. Auf Verbraucherebene gehören zu den Flash-Speichergeräten USB-Laufwerke. In Computersystemen sind Flash-basierte SSDs, die so genannt werden, weil sie keine beweglichen Teile haben, in Notebooks weit verbreitet und können auch in vielen Desktop-PCs als Festplattenalternative gefunden werden.

In den letzten Jahren haben sich SSDs auch im Rechenzentrum etabliert. Hier werden Flash Memory in Form von All-Flash-SSDs der Unternehmensklasse, Speicher-Caches und Storage-Arrays immer häufiger eingesetzt. Die ersten Flash-Storage-Implementierungen konzentrierten sich auf Caches zur Beschleunigung von I/O-intensiven Anwendungen, die nach wie vor beliebte Einsatzgebiete für Flash-Storage sind.

Sinkende Kosten und zunehmende Speicherdichte haben es Unternehmen ermöglicht, ihre Nutzung von Flash Memory von speziellen Anwendungen auf allgemeine Unternehmens-Workloads auszuweiten. Niedrigere Preise versetzen Rechenzentren in eine bessere Position, um Flash für zukünftige Anforderungen zu kaufen.

Flash-SSDs können eine attraktive Wahl für leseintensive und latenzarme Arbeitslasten sein, aber herkömmliche magnetische HDDs bleiben für andere wichtige Verwendungszwecke beliebt, zum Beispiel für die langfristige Datenspeicherung, Backups, Archive und viele unkritische Unternehmens-Workloads.

Flash und digitale Unternehmen

Der Aufstieg digitaler Unternehmen hat ebenfalls zur Verbreitung von Flash Storage beigetragen. In solchen Unternehmen gehören maschinelle Lernprozesse und High-Level-Analysen zu den Anwendungen, die einen schnelleren Datenzugriff erfordern. Fast alle leseintensiven Workloads – sogar Datenbankanwendungen wie SQL – können Flash Storage nutzen, um die Reaktionszeiten zu verkürzen, die Datenverarbeitung zu beschleunigen und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern.

Außerdem sind die Preise für Flash gesunken, so dass die Speichertechnologie für einen höheren Prozentsatz von Workloads in einem höheren Prozentsatz von Unternehmen realisierbar ist, einschließlich digitaler Unternehmen, die bereits in Flash-Speicher investiert haben.

Das größte Problem bei Flash ist die Abstimmung der Technologie auf die Anforderungen und Erwartungen der Unternehmen. In der Regel setzen Firmen bei einigen Arbeitslasten auf Flash, während sie bei anderen auf herkömmliche HDD-Speichersysteme zurückgreifen. Das Ergebnis ist oft die Einrichtung eines Storage Tierings, bei dem mehrere Speichersysteme oder -typen innerhalb der Infrastruktur eingesetzt werden:

• Tier 1. Die höchste Ebene wird für unternehmenskritische Workloads und Daten verwendet und ist am besten für Flash-Speichersysteme geeignet.
• Tier 2 und 3. Mittlere Ebenen werden für nicht kritische oder allgemeine Geschäftslasten verwendet und können in der Regel unternehmens- und geschäftskritische Daten sichern. Dies kann eine Mischung aus Low-End-Flash- und High-End-HDD-Speichersystemen umfassen.
• Tier 4. Die unterste Ebene wird für Backups und Archivierungsaufgaben verwendet und besteht ausschließlich aus kostengünstigem HDD-Speicher oder Tape-Speicher.

Flash Memory vs. RAM

Ein flüchtiger Blick auf Flash Memory könnte den Eindruck erwecken, dass die Technologie mit RAM vergleichbar ist. Schließlich verwenden Flash und RAM beide Solid-State-Chips und gehören zur gleichen Kategorie der Festkörperspeicher (Solid State Storage).

Doch Flash Memory und RAM spielen in einem Computersystem aufgrund ihrer Leistung, Kosten und Herstellungsmethoden unterschiedliche Rollen. Wie die Namen schon andeuten, werden sowohl RAM als auch Flash Memory für die Speicherung verwendet, aber sie unterscheiden sich in ihrer Art und Verwendung:

• RAM ist ein flüchtiger (volatile) Speicher, das heißt sein Speicherinhalt geht verloren, sobald die RAM-Chips nicht mehr mit Strom versorgt werden, zum Beispiel wenn der Computer ausgeschaltet wird. RAM ist eine der ältesten und ausgereiftesten Solid-State-Technologien. Die RAM-Technologie – einschließlich des dynamischen RAM(DRAM) – ist jedoch extrem schnell, und ihr temporärer Speicher ist ideal, um mit modernen Mikroprozessoren Schritt zu halten, indem er Programmanweisungen und Daten zur Ausführung bereithält. RAM eignet sich nicht für die langfristige Datenspeicherung, da hierfür eine kontinuierliche Stromversorgung des RAM erforderlich wäre.
• Flash Memory ist nicht flüchtig (non-volatile), das heißt sein Speicherinhalt bleibt auch nach dem Abschalten der Stromversorgung erhalten. Flash Memory kann neben Mikroprozessoren in einigen Geräten, zum Beispiel Smartphones, zum Laden und Ausführen von Programmen verwendet werden. Allerdings ist Flash Memory beim Schreiben in der Regel langsamer als RAM-Speicher und übertrifft diesen bei Schreibvorgängen, wie dem Laden von Programmen oder dem Schreiben neuer Daten, normalerweise nicht. Daher werden Flash-Memory-Komponenten in der Regel als moderner Ersatz für herkömmliche Speichergeräte verwendet, bei denen die langsamere Schreibgeschwindigkeit kein Problem darstellt und die Daten nach dem Ausschalten der Stromversorgung unbegrenzt erhalten bleiben.

Vorteile von Flash Memory

Letztendlich erwartet ein modernes Unternehmen fünf Hauptvorteile von Flash-Speichergeräten und -systemen:

• Hohe Leistung. Der Zugriff auf den Speicher und das Verschieben von Daten zwischen einer Arbeitslast und den Speicherressourcen benötigt Zeit. Moderne Flash-Systeme, wie das HPE 3PAR StoreServ, bieten bis zu 3 Millionen IOPS bei Latenzzeiten von nur 0,3 Millisekunden. Dies ist weitaus schneller als herkömmliche magnetische Festplatten.
• Resilienz. Moderne Flash-Speichergeräte sind langlebiger als HDDs – insbesondere bei Lesevorgängen –, da es keine beweglichen Teile gibt und sie Kombinationen aus Hardware und Software verwenden, um Redundanz zu ermöglichen und ein transparentes Failover zwischen Geräten in einem Storage-Array zu erleichtern. Einige Flash-Speichersysteme weisen eine Verfügbarkeit von bis zu 99,9999 Prozent auf.
• Skalierbarkeit. Die Workloads in Unternehmen werden immer speicherhungriger, und umfassende Flash-Speichersysteme bieten in der Regel eine hohe Skalierbarkeit auf Hunderte von Terabytes oder mehr.
• DR-Unterstützung. Flash ist eine Form von Speicher, und Flash-Speichersysteme sind zunehmend intelligent und bieten Unterstützung für Enterprise-Storage-Funktionen wie Clustering, Multisite-Replikation, beschleunigte Backups und Recoveries sowie Unterstützung für unerwartete Geräteausfälle.
• Kosteneffizienz. Obwohl Flash-Speicher pro Byte teurer sein können als herkömmliche Festplatten, können Flash Storage in der Regel mehr Speicherkapazität auf viel weniger Platz unterbringen, und das bei geringeren Strom- und Kühlungskosten. Zusammen mit der höheren Workload-Leistung liegen die Kosten für Flash-Speicher oft in der gleichen Größenordnung wie die einer herkömmlichen HDD-Umgebung.

Nachteile von Flash Memory

Trotz der überzeugenden Vorteile birgt Flash-Speicher mehrere potenzielle Nachteile für Unternehmen, darunter die folgenden:

• Hohe Implementierungskosten. Flash-Speicher ist pro Gigabyte nach wie vor um ein Vielfaches teurer als herkömmlicher Festplattenspeicher. Obwohl Kosteneffizienz einen Teil dieser Vorlaufkosten ausgleichen kann, müssen Unternehmen dennoch ein entsprechendes Budget für die Implementierung von Flash-Speichern einplanen.
• Begrenzte Gerätekapazität. Viele Flash-Geräte, wie zum Beispiel SSDs, bieten Kapazitäten, die mit denen herkömmlicher HDDs vergleichbar sind, aber es ist wichtig, Kosten- und Leistungsfaktoren zu berücksichtigen, bevor bestimmte Geräte oder Systeme ausgewählt werden. Flash-Geräte mit höherer Kapazität können unverhältnismäßig teuer sein; Flash-Geräte mit geringerer Kapazität können dagegen relativ preiswert sein, aber es werden mehr Geräte benötigt, um die Anforderungen an die Speicherkapazität zu erfüllen. Achten Sie auf die Effizienz und Leistung der Geräte und nicht nur auf den reinen Preis.
• Langsamere Schreibvorgänge. Flash-Komponenten sind so konzipiert, dass sie in Blöcken arbeiten – nicht in Bits, wie bei herkömmlichem RAM –, so dass bei einem Schreibvorgang zunächst Blöcke gelöscht werden, bevor sie mit neuen Daten überschrieben werden. Dies nimmt mehr Zeit in Anspruch und verlangsamt die Schreibvorgänge, was Flash für einige schreibintensive Workloads unerwünscht machen könnte. Flash ist immer schneller beim Lesen, nicht beim Schreiben.
• Begrenzte Lebensdauer. Schreibvorgänge verursachen Stress und Verschleiß bei den elektronischen Komponenten von Flash-Speichergeräten. Obwohl moderne Flash-Geräte über wirksame Technologien zur Verlängerung der Lebensdauer verfügen, wie Wear Leveling und Over-Provisioning, sind die meisten in Flash-Chips und -Geräten hergestellten Transistoren auf etwa 10.000 Schreibzyklen beschränkt. Daher ist das Lebenszyklusmanagement von Flash-Geräten für jedes Flash-Speichersystem unerlässlich. Flash-Speicher sind möglicherweise keine geeignete Speicheralternative für schreibintensive Workloads.

Hybride Flash-Arrays, die HDD- und SSD-Speicher kombinieren, bieten Unternehmen die Möglichkeit, die jeweiligen Preis- und Leistungsvorteile beider Technologien zu nutzen. Mit den Hybrid-Arrays können Speichermanager Daten, auf die häufig zugegriffen wird, auf dem schnelleren Flash-Speicher ablegen und Daten, auf die weniger häufig zugegriffen wird, auf HDDs unterbringen. Auf diese Weise kann ein Rechenzentrum die Leistung heißer Daten steigern und gleichzeitig die höheren Kosten von Flash für die Speicherung kalter Daten vermeiden.

NOR vs. NAND

Flash-Speicher ist eine nichtflüchtige Speichertechnologie, das heißt sie benötigt keinen Strom, um Daten zu speichern. Es gibt zwei Arten von Flash-Speicher: NOR und NAND. Beide verwenden Floating-Gate-Transistoren als Basis für Speicherzellen, die Daten speichern. 

NOR Flash Memory war der erste Flash-Typ, der 1988 auf den Markt kam. NOR verknüpft Speicherzellen parallel und legt den Schwerpunkt auf die Leistung beim zufälligen Zugriff (Random Access). NOR Flash zeichnet sich durch schnelle Lese- und langsamere Lösch- und Schreibgeschwindigkeiten aus. Im Allgemeinen speichert die NOR-Technologie ausführbaren Boot-Code und unterstützt Anwendungen, die häufiges zufälliges Lesen kleiner Datensätze erfordern.

NAND Flash Memory folgte NOR etwa ein Jahr später auf den Markt. NAND ist langsamer beim Lesen als NOR, benötigt aber weniger Zeit zum Löschen und Schreiben neuer Daten. NAND bietet außerdem eine höhere Speicherkapazität zu geringeren Kosten als NOR, so dass die Hauptfunktion dieser Technologie die Datenspeicherung ist.

Ein Hauptziel der NAND-Entwicklung war es, die Chipkapazität zu erhöhen und die Kosten pro Bit zu senken, um Flash-Speicher konkurrenzfähiger zu magnetischen Speichergeräten zu machen. Allerdings stoßen Speichergeräte, die auf dieser Technologie basieren, an Grenzen der Belastbarkeit. NAND-Flash kann nur eine bestimmte Anzahl von Programm-/Löschzyklen (P/E) unterstützen, d. h. 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 Memory

NAND-Flash-Speicher werden in verschiedene Typen eingeteilt, die durch die Anzahl der in jeder Flash-Speicherzelle verwendeten Bits definiert werden. 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.

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

SLC: Leistung zu höherem 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 wichtigsten Anwendungsfällen für SLC, da Unternehmen in diesen Sektoren eher bereit sind, einen Aufpreis für die Vorteile dieses NAND-Flash-Speichertyps zu zahlen.

Im Allgemeinen ist jedes zusätzliche Bit, das einer Speicherzelle hinzugefügt wird, mit Einbußen bei der Leistung, Ausdauer und Zuverlässigkeit verbunden, und zwar entlang des gesamten Kontinuums von SLC, MLC, TLC, QLC und PLC.

MLC, TLC: Billigere und speicherdichtere Alternativen

Die Vorteile zusätzlicher Bits in jeder Speicherzelle sind eine höhere Dichte und niedrigere Kosten. Der niedrige Preis von MLC macht sie für Hersteller von elektronischen Geräten für den Endverbraucher, wie 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. Er findet auch in der Unterhaltungselektronik eine Nische.

QLC: Geeignet für leseintensive Workloads

Die Betrachtung von QLC- und TLC-NAND als Entweder-oder-Entscheidung könnte der falsche Weg sein, um die Technologien zu betrachten, die sich als komplementär erweisen können. In der Tat unterscheidet sich die Marktpositionierung der QLC-Technologie etwas von der der TLC-Technologie. QLC-NAND konzentriert sich auf leseintensive Arbeitslasten und füllt eine Nische zwischen TLC-Flash und HDDs. Die Idee ist, dass die geringere Schreibausdauer bei komplexeren Flash-Speichern durch leseintensive Arbeitslasten ausgeglichen werden kann, bei denen das Lesen keine Abnutzung der Flash-Zellen zur Folge hat.

Die leseintensive Natur von QLC macht es für Unternehmensanwendungen wie Datenanalyse und maschinelles Lernengeeignet. Andere mögliche Verwendungszwecke für QLC-NAND in Rechenzentren sind Medien-Streaming, wo SSDs mit dieser Technologie die Kapazität und Geschwindigkeit haben, um Videodateien zu hosten, und aktive Archive, wo Daten online und zugänglich bleiben.

Ein Unternehmen kann die veraltete 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 – unangemessene Kosten zu vermeiden.

Im Allgemeinen bietet QLC-NAND-Flash Vorteile bei geringeren Kosten pro Gigabyte, was die Speichertechnologie im Vergleich zu anderen Flash-Varianten zu einer erschwinglichen Option macht. Und die Kosten können für Organisationen, die auf Unternehmensebene einkaufen, ein entscheidender Faktor sein.

PLC: Für Archive geeignet

Schließlich bietet PLC-Flash eine begrenzte Lebensdauer, aber niedrige Kosten pro Gigabyte. Als solches zielt PLC auf Archivierungsanwendungen und kühle bis kalte Daten ab. PLC-Flash-SSDs fallen in dieselbe Klasse wie andere Technologien mit einmaligem Schreiben und mehrfachem Lesen (WORM, Write Once Read Many).

3D-Flash-Memory

Der Wechsel von der planaren (2D) zur 3D-Fertigungstechnologie ist eine weitere Möglichkeit für Flash-Hersteller, die Preis- und Kapazitätseigenschaften von Flash zu verbessern. 3D-NAND-Flash stapelt Speicherzellen vertikal in mehreren Schichten. Diese Methode der Zellschichtung erhöht die SSD-Kapazitäten drastisch und senkt die Kosten pro Gigabyte. 3D-NAND eignet sich für alle Geschäfts- und Verbraucherszenarien, die planares NAND verwenden.

Der Hauptvorteil von 3D-Flash-Speichern ist die höhere Kapazität auf kleinerem Raum. Der größte Nachteil sind die höheren Herstellungskosten, aber der Preis für diese Technologie ist gesunken.

Ein weiterer Aspekt von 3D-NAND ist die Charge-Trap-Technologie. Viele Hersteller von 3D-Flash-Laufwerken verwenden das Charge-Trap-Verfahren, das im Vergleich zu Flash-Geräten mit Floating-Gate-Zellen eine höhere Lebensdauer – und damit mehr Schreib-/Löschzyklen – ermöglicht. Die Charge-Trap-Technologie ermöglicht außerdem schnellere Lese-/Schreibvorgänge und senkt den Energieverbrauch.

3D-Flash ist unter verschiedenen Markennamen bekannt, darunter der Name 3D-NAND, der erstmals 2007 von Toshiba bekannt gegeben wurde, sowie V-NAND, der erstmals 2013 von Samsung veröffentlicht wurde. Beide Produktfamilien beruhen auf denselben grundlegenden Funktionsprinzipien.

Flash-Memory-Standards

Flash-Speicher-Standards gehen über die primären Gruppierungen SLC, MLC, TLC und ihre Nachfolger hinaus. Interne und externe Konnektivitätsstandards sind ebenfalls erwähnenswert, da sich die typischen Verbindungsansätze zu verändern beginnen.

Flash-Standards beziehen sich in der Regel auf Schnittstellen und Konnektivität, und zu den gängigen Standards gehören heute sowohl interne als auch externe Schnittstellen, darunter die folgenden:

• Serial-Attached SCSI (SAS). Dieser interne Schnittstellenstandard ist für Peripheriegeräte wie Festplattenlaufwerke üblich, bietet aber auch eine praktische Schnittstelle für Flash-Komponenten, die zu einem SSD-Gerät zusammengefügt werden.
• Non-Volatile Memory Express (NVMe). Diese interne Schnittstelle bietet optimierte Unterstützung für Flash-Komponenten, die über den PCIe-Bus oder neue Anschlüsse, wie M.2 oder U.2, kommunizieren. NVMe bietet eine Hochgeschwindigkeitskommunikation mit geringer Latenz, die SAS für Flash-basierte Geräte verdrängt.
• Internet Small Computer System Interface (iSCSI). ISCSI ist eine Ethernet-basierte externe Schnittstelle, die robust und vielseitig ist, um Daten von Flash-Speichergeräten über große lokale und Wide Area Networks zu übertragen.
• NVMe over Fabrics (NVMe-oF). NVMe-oF ist eine externe Schnittstelle auf Fabric-Basis, die die Latenz verringert und die Kommunikation von Flash-Speichern über Fibre-Channel- oder Ethernet-Netzwerke verbessert. Dieser neue Schnittstellenansatz ersetzt iSCSI für die Konnektivität von Flash-Geräten.

Diese Schnittstellenstandards werden in der Regel beim Anschluss von Flash-Speichergeräten an Computersysteme verwendet. Darüber hinaus bieten Flash-Geräte in der Regel ein gewisses Maß an Kompatibilität mit breiteren Netzwerktypen, einschließlich Ethernet, Fibre Channel und in einigen Fällen InfiniBand.

Was ist beim Kauf von Flash-Speicher zu beachten?

Flash-Speicher ist heute eine anerkannte Ressource für viele Unternehmens-Workloads, aber die Entscheidung für Flash-Speicher ist nie eine Selbstverständlichkeit. Bevor eine Investition in Speicher getätigt wird, müssen Geschäfts- und IT-Verantwortliche unter anderem die folgenden grundlegenden geschäftlichen Aspekte berücksichtigen:

• Anwendungsfall, das heißt die Arbeitslast oder Anwendung, die durch den Speicher unterstützt werden soll.
• Datenzugriffsanforderungen der Arbeitslast oder Anwendung, zum Beispiel IOPS und Lese-/Schreibanforderungen.
• Anforderungen an Kapazität, Sicherheit und Datenmanagement.
• Aktuelle Speicherressourcen.

Erst dann kann ein Unternehmen fundierte Entscheidungen über Flash und seine Rolle in der bestehenden Speicherarchitektur treffen – zum Beispiel, wie es sich in die verschiedenen Leistungsstufen des Speichers einfügt. Wenn sich ein Unternehmen für die Einführung von Flash-Storage entscheidet, können die folgenden Entscheidungen getroffen werden:

• Anforderungen an Flash-Kapazität und IOPS-Leistung.
• Formfaktor, zum Beispiel eine PCIe-Karte zum Einbau in einen Computer oder ein standardisierter SSD-Formfaktor zum Einbau in ein Speichersubsystem.
• Unterstützung für die Verwaltung von Daten und Flash-Geräten.

Wählen Sie Flash sorgfältig aus

Wenn es endlich an der Zeit ist, sich mit den Details der Flash-Speicheroptionen zu befassen, müssen Käufer einige Besonderheiten berücksichtigen. Eine dieser Überlegungen ist der SSD-Formfaktor. Schon früh in der Entwicklung von Unternehmens-Flash wurde der 2,5-Zoll-SATA-Formfaktor bei SSD-Anbietern beliebt, die den Übergang von HDDs zu SSDs erleichtern wollten.

Der SATA-Standard wurde für die Datenübertragung von Festplatten entwickelt und ermöglicht Unternehmen eine schrittweise Einführung neuer Laufwerke. Die 2,5-Zoll-Größe ermöglichte es einer SSD, problemlos in einen Desktop-Laufwerksschacht zu passen.

Ein kleinerer SATA-SSD-Formfaktor, genannt mSATA für Mini-SATA, zielt auf Laptops, Notebooks, Tablets und andere Geräte mit eingeschränktem Stromverbrauch ab. Der M.2-Formfaktor folgte auf mSATA und bietet einen noch kleineren SSD-Formfaktor, der eine höhere Leistung und größere Speicherkapazität als mSATA-Laufwerke bietet.

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 Hochleistungs-SSD-Technologie ist ein weiterer Aspekt der Flash-Technologie, den Käufer von Speicherlösungen berücksichtigen sollten. NVMe-SSDs, die direkt an den PCI-Systembusangeschlossen werden, sind in Unternehmen immer häufiger anzutreffen. SSDs, die an HDD-Formfaktoren und -Schnittstellen festhalten, haben nicht das volle Potenzial von NAND-Flash ausgeschöpft.

NVMe-SSDs bieten einen Vorteil gegenüber SATA-Laufwerken, da das NVMe-Protokoll für nichtflüchtige Halbleiterspeicher wie NAND-Flash entwickelt wurde. Und da NVMe als Verbindung für Flash-Disks und -Arrays immer beliebter wird, haben NVMe-oF-Produkte begonnen, eine praktikable Option für NVMe-basierten gemeinsamen Speicher zu bieten. Das Ökosystem der NVMe-oF-Technologie befindet sich noch im Fluss, aber Ressourcen wie das InterOperability Laboratory der University of New Hampshire können Evaluatoren dabei helfen, standardkonforme Produkte zu identifizieren.

Anbieter und Produkte

Die Anbieter von NAND-Flash-Speichern unterscheiden sich in ihrem Marktangebot. Einige Hersteller bieten Allzweck-Flash-Speicher an, während sich andere Unternehmen auf bestimmte Marktsegmente spezialisiert haben. Im Folgenden sind einige der größten NAND-Flash-Speicherhersteller aufgeführt:

• Kioxia.
• Micron Technology.
• Samsung.
• SK Hynix.
• Western Digital Corporation.

Einige Anbieter offerieren eine Reihe von Produkten, die sowohl Unternehmens- als auch Verbraucheranwendungen abdecken. So stellt Kioxia beispielsweise SSDs für Unternehmen, Clients und Rechenzentren her, während Samsungs SSD-Portfolio auf den Unternehmens- und Verbrauchermarkt ausgerichtet ist.

Was die Vermarktung anbelangt, so können die Anbieter Flash-Speicherprodukte an andere Anbieter verkaufen, die die Technologie in ihre Speicherangebote einbetten oder Speichergeräte unter ihrer eigenen Marke verkaufen. Einige 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 unterscheiden sich in ihren kurz- und langfristigen Vorhersagen für NAND-Preistrends. Zyklische Perioden der Knappheit und des Überangebots führen zu Schwankungen bei den NAND-Preisen. Darüber hinaus können makroökonomische Trends und globale Ereignisse wie die COVID-19-Pandemie 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 höhere Kapazität hin, da die Anbieter die Anzahl der 3D-NAND-Flash-Schichten erhöhen und die Bitdichte steigern wollen. Die Hersteller sind bestrebt, die Speicherdichte zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten pro Bit zu senken. SK Hynix beispielsweise produziert jetzt einen 300-Layer-Chip mit einer Kapazität von 1 TB, der die TLC-Technologie verwendet und mit einer Geschwindigkeit von 194 MB pro Sekunde schreibt. Die Hersteller sagen voraus, dass bis zum Jahr 2030 Flash-Geräte mit 1.000 Layern möglich sein könnten.

Ein weiterer Vorstoß ist die breite Einführung der PLC-Technologie (5 Bits pro Zelle). Obwohl die PLC-Technologie derzeit unter einer geringeren Schreibdauer und Leistung leidet, verbessern die Hersteller die Herstellungstechniken und setzen spezielle Algorithmen ein, um diese Einschränkungen auszugleichen.

Zu den weiteren zu erwartenden Trends gehört der zunehmende Einsatz von QLC-Laufwerken im Unternehmensspeicher, zumindest für leseintensive Arbeitslasten. Dies führt dazu, dass Geräte mit höherer Dichte und niedrigeren Kosten pro Bit zum Mainstream für Flash-Geräte in Firmen werden.

Schnittstellenentwicklungen wie NVMe und NVMe-oF werden Flash-Speicher weiterhin dazu bringen, ihr höheres Leistungspotenzial voll auszuschöpfen. Die Entwicklung von Flash wird sich auch auf andere Technologien auswirken, zum Beispiel auf Storage Class Memory (SCM). SCM stellt eine neue Storage-/Memory-Ebene im Unternehmen dar, die zwischen SSDs und DRAM liegt und darauf abzielt, latenzempfindliche Anwendungen zu unterstützen.