Flash-Evolution
SSDs werden viel billiger und schneller
120-GByte-SSDs gibts mittlerweile ab 25 Euro, Multi-Terabyte-SSDs für Privatleute kommen in Reichweite. Technische Neuheiten beim Flash-Speicher ziehen aber vor allem in die riesigen Cloud-Rechenzentren ein.
Flotte SSDs haben in vielen privaten PCs längst schon lahme Festplatten als Bootlaufwerk abgelöst. In Rechenzentren wirken sich die Vorteile von Flash-Speicher noch weit stärker aus. Hier setzen die Betreiber auf Enterprise-SSDs mit TLC-Speicher und PCIe-NVMe-Schnittstellen und auf NVMe over Fabrics. Weitere Neuerungen stehen vor der Tür: PCI Express 4.0, OpenChannel-SSDs, neue SSD-Formate und NAND-Alternativen wie STT-MRAM.
NAND-Fortschritte
Praktisch alle SSDs sind bisher mit NAND-Flash-Speicherchips bestückt. Letztere produzieren alleine die Firmen Intel, Micron, Samsung, SK Hynix und Toshiba-WD. Derzeit wächst nicht nur die Fertigungskapazität, sondern auch der Speicherplatz pro Chip – und die Preise purzeln. Bald kommt noch das chinesische Unternehmen Yangtze Memory Technologies (YMTC) hinzu.
Die Speicherkapazität pro Chip wächst einerseits durch 3D-Flash mit noch mehr Lagen, andererseits durch den Übergang von Triple-Level-Cell-(TLC-) auf Quadruple-Level-Cell-(QLC-)Chips. Jede Speicherzelle speichert bei TLC 3 Bits und bei QLC 4 Bits, also ein Drittel mehr.
Zwar verträgt QLC-NAND-Flash weniger Schreibzyklen als TLC-NAND, doch das fangen moderne SSD-Controller weitgehend ab, etwa durch bessere Algorithmen für Fehlerkorrektur und Wear Leveling. Immerhin stehen ja bei QLC-Flash-SSDs meistens auch ein paar Milliarden Zellen mehr zur Verfügung, auf die sich Schreibzyklen verteilen lassen.
Bei Micron besteht der aktuelle 64-Lagen-Speicher der zweiten Generation aus zwei Stacks à 32 Lagen, die nächste, dritte Generation nutzt jeweils 48 Lagen – also insgesamt 96. Zudem will Micron von der Floating-Gate-Technik zu Charge Trap wechseln und die CMOS-Logik unter die Flash-Zellen versetzen; das soll vor allem Energie sparen.
SK Hynix nutzt ebenfalls Charge-Trap-Technik und verlagert die CMOS-Logik unter die Zellen, hat sich dafür aber einen neuen Marketing-Begriff einfallen lassen: 4D-NAND. Muster der 96-Lagen-Generation stehen im vierten Quartal an. In der zweiten Hälfte 2019 will SK Hynix dann auch QLC-NAND produzieren. Die nächste Version mit 128 Lagen befindet sich bereits in der Entwicklung, geplant sind bis zu 500 Lagen.
Auch WD-Partner Toshiba will mit der QLC-Flash-Produktion 2019 starten. Doch auch schnelleren „XL Flash“ hat Toshiba im Sinn. Die Latenz beim Lesen soll bei nur einem Zehntel von TLC-Flash liegen – es handelt sich aber um normalen NAND-Flash-Speicher, keine neue Technik wie ReRAM oder 3D XPoint alias Optane.
Der ehemalige Intel-Mitarbeiter Simon Yang, CEO von Yangtze Memory Technologies, trat auf dem Flash Memory Summit selbstbewusst auf. Laut Yang produziert YMTC derzeit 3D-NAND-Flash mit 64 Lagen im Testbetrieb, 32-Lagen-NAND soll bereits in der Massenproduktion sein. Man nutzt die verbreitete Charge-Trap-Architektur, teilt bei der hauseigenen Xtacking-Technik aber Flash-Zellen und CMOS-Logik auf zwei Wafer auf, die man später miteinander verbindet.
Neue SSDs
Aus der Masse der neu vorgestellten SSDs ragen einige Modelle heraus. Für Privatleute spannend sind die pro Terabyte billigeren QLC-Typen von Samsung (noch namenlos, SATA, bis zu 4 TByte) und Intel (660p, M.2 NVMe, bis zu 2 TByte).
Intel hat aber auch eine U.2-SSD für Server neu vorgestellt: Die D5-4320 ist mit bis zu 7,68 TByte Kapazität erhältlich. Bei sequenziellen Zugriffen erreicht sie 3200 beziehungsweise 1000 MByte/s, auch bei zufälligen Zugriffen ist die SSD beim Schreiben mit 36.000 IOPS deutlich langsamer als beim Lesen (427.000 IOPS). Für Server-SSDs nutzt Intel jetzt ein neues Namensschema, bei dem D1, D3, D5 und D7 analog zu Core i3/i5/i7 die Leistungsklasse anzeigen.
Seagate bringt die Nytro 5020 für Server heraus. Sie ist mit U.2-Anschluss oder als PCIe-Steckkarte erhältlich sowie mit bis zu 7,6 TByte Speicherplatz. Seagate setzt auf dynamisches Overprovisioning und Kompression, DuraWrite genannt. Die SSDs sollen beim Lesen bis zu 3000 MByte/s erreichen, beim Schreiben sind es 2000 MByte/s. Bei Zugriffen auf zufällige Adressen liegen die Werte bei 400.000 IOPS beim Lesen und 100.000 IOPS beim Schreiben.
SSDs mit KI oder MRAM
Die Firmware einer SSD kennt weder das Dateisystem noch die Inhalte, welche die Flash-Zellen speichern. Marvell meint, dass die SSDs jedoch einem PC oder Server die Suche nach solchen Informationen erleichtern könnten. Dazu stattet Marvell einen Controller mit KI-Funktionen von Nvidia aus, der Metadaten erzeugt. Die Trainingsdaten der KI lädt der SSD-Controller aus dem Flash-Speicher in den schnellen DRAM-Cache. Da solche Daten meistens nur wenige Megabyte groß sind, hat das keine relevanten Auswirkungen auf den Speicherplatz der SSD.
In die SSDs der Baureihe DataCore packt IBM je 128 MByte STT-MRAM – aber nicht als Cache, dafür ist weiterhin DRAM zuständig. Im MRAM speichert die Firmware vielmehr Informationen über die Zuordnung der Speicherzellen zu den logischen Adressen. Daraus lässt sich nach einem Stromausfall die Zuordnung wiederherstellen.
STT-MRAM ist nichtflüchtiger Speicher, der magnetische Effekte nutzt. STT-MRAM arbeitet viel schneller als Flash-Speicher, erreicht aber nur einen Bruchteil der Kapazität und ist teurer.
Lineal-SSDs heißen nun E1
Für die im vergangenen Jahr von Intel vorgestellten Lineal-(Ruler-)SSDs bauen Hersteller wie Supermicro Storage-Server, die 1 Petabyte (Brutto-)Kapazität in einer einzigen Rack-Höheneinheit unterbringen. Die Ruler-SSDs bekommen nun neue Namen und eine weitere Bauform mit demselben Anschluss. Die Storage Networking Initiative Association (SNIA) hat die Bauformen unter den Namen E1.L (long) und E1.S (short) spezifiziert; dazu gesellt sich E3 für horizontale Einschübe in Racks. E1-SSDs sind wie gehabt 318,75 Millimeter lang und 38,4 Millimeter hoch, die kleineren E1.S-SSDs messen 111,5 Millimeter × 31,5 Millimeter. E3-SSDs sind hingegen 76 Millimeter breit und 104,9 oder 142,2 Millimeter lang. Ihr Anschluss eignet sich nicht nur für SSDs, sondern etwa auch für DRAM. Er stammt ursprünglich vom Gen-Z-Konsortium, das eine neue Speicherarchitektur für Server definiert.
PCIe 4.0 und NVMe-oF
PCIe 4.0 verdoppelt die Übertragungsrate pro PCIe-Lane im Vergleich zu PCIe 3.0 – mehr Datentransferrate, die SSD- und Storage-Hersteller dringend fordern. Microsemi hat nun den ersten SSD-Controller mit PCIe 4.0 angekündigt, den Flashtec NVMe 3016. Er wird bereits in kleinen Stückzahlen an SSD-Hersteller ausgeliefert. Für Storage-Systeme mit PCIe-4.0-SSDs will Microsemi auch bald PCIe-4.0-Switch-Chips liefern. Mellanox hat schon länger Produkte mit PCIe 4.0 im Programm, darunter Netzwerkkarten für 200- und 100-GBit/s-Ethernet sowie einen PCIe-Switch-Chip. Advantest hat seine Testsuite um PCIe-4.0-Fähigkeiten erweitert.
Auf dem Flash Memory Summit wurden viele neue Produkte und Konzepte für die Vernetzung von NVMe-Speichersystemen vorgestellt. NVMe over Fabrics (NVMe-oF oder auch NVMeF) gibt es in verschiedenen Ausprägungen, bald wohl sogar direkt über Ethernet – also SSDs mit einem Controller, der statt SATA, SAS oder PCIe für Ethernet mit 25 oder 50 Gigabit/s ausgelegt ist. Die schon lieferbaren NVMe-oF-Systeme arbeiten hingegen mit RDMA per iWarp, Roce oder Infiniband, also indirekt.
Software Composable Infrastructure
NVMe-oF kann ein Baustein für disaggregierte Server sein: Das sind Racks voll mit Rechen-, Speicher- und Beschleunigereinheiten, die sich je nach Bedarf flexibel zu Servern zusammenschalten lassen. Western Digital (WD) stellte eine neue Architektur namens Software Composable Infrastructure vor, zunächst in Form von drei Openflex-Einschüben, die mit SSDs oder Festplatten bestückt bis zu 614 TByte Speicherplatz bereitstellen. Alle sind mit Ethernet-Schnittstellen mit bis zu 50 GBit/s für NVMe-oF ausgestattet. Zur Verwaltung und Konfiguration hat WD ein offenes und erweiterbares API namens Kingfish angekündigt. Das verweist auf die Redfish-Standards für die Serververwaltung.
Eine andere Form der Flexibilität ermöglichen OpenChannel-SSDs, also eine Art „dummer“ Flash-Speicher, nur mit rudimentärem Controller. Sie stellen im Prinzip bloß den nackten Flash-Speicher über eine eigene Software-Schnittstelle zur Verfügung, um alles andere kümmert sich der NVMe-Treiber. Applikationen können beim Treiber etwa anmelden, welche Performance und wie viel Speicherplatz sie benötigen; der Treiber teilt dann die vorhandenen Ressourcen zu.
Der chinesische Hersteller Shannon Systems hat auf dem Flash Memory Summit seine OpenChannel-SSDs vorgestellt. Unter dem Projektnamen „The Venice“ sind die SSDs bereits beim chinesischen Onlinehändler und Cloud-Dienstleister Alibaba im Einsatz. (ll@ct.de)