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Das sind die wichtigsten Grundlagen zur NAND-Technologie

NAND hat sich zur wichtigsten Technologie für Flash-Laufwerke entwickelt. Wir erklären Ihnen die wichtigsten Grundlagen zum Unternehmenseinsatz von NAND.

Die meisten Solid State Drives (SSDs) in Rechenzentren basieren auf NAND-Technologie. Aber es gibt unterschiedliche NAND-Typen, die sich in den Punkten Schnelligkeit, Robustheit und Kosten unterscheiden. Wer sich eine Anschaffung von NAND überlegt, sollte die Charakteristiken kennen.

Das wichtigste Merkmal sind die Bits, die in einer Zelle gespeichert werden. Die heutigen Laufwerke verwenden eine, zwei oder drei Bits pro Zelle.

Obwohl andere Technologien und Architekturen ebenfalls eine Rolle spielen, ist die Zahl der Bits der wichtigste Faktor im Hinblick auf Kapazität des Laufwerkes.

Grundlagen zum NAND-Speicher

NAND ist ein nichtflüchtiger (Non-Volatile) Speicher. Dies bedeutet, das Laufwerk kann Daten speichern, egal ob es an das Stromnetz angeschlossen ist oder nicht. Es gibt noch andere Arten von Flash-Speicher, aber NAND hat sich als dominant etabliert.

Ein NAND-Laufwerk enthält einen oder mehrere Flash-Chips. Jeder Chip besteht aus unterschiedlichen Würfeln (Dies). Jeder Würfel hat verschiedene Ebenen (Planes), normalerweise zwei. Die Ebenen sind wiederum unterteilt in Blöcke (Blocks). Die Blöcke bestehen aus Seiten (Pages). Die Seiten führen zu Zellen (Cells), wo die Bits gespeichert werden.

Daten werden auf den Seiten gelesen und geschrieben. Sie können aber nur auf Blöcken gelöscht werden. Deswegen sind Write-Erase Prozesse kompliziert.

Ein NAND-Laufwerk hat einen Controller, der Datenoperationen verwaltet und die Write-Erase-Prozesse durchführt. Der Controller ist ein Laufwerkspezifischer Prozessor, der die Firmware und fortschrittliche Operationen wie Wear Leveling, Verschlüsselung (Encryption), Bad-Block Mapping und Fehlerkorrektur (Error Code Correction (ECC)) ausführt.

Single Cell NAND

Ein NAND-Laufwerk nutzt zum Schreiben, Lesen und Löschen den Voltstatus der entsprechenden Zellen, um die Einstellungen der Bits festzustellen und zu verändern. Die einfachsten NAND-Chips sind auf ein Bit Daten pro Zelle beschränkt. Deswegen hat die Zelle entweder den Status programmiert (0) oder gelöscht (1). Der Controller stellt den Status der Zelle gemäß des Voltstatus statt.

Ein NAND-Chip mit einer Zelle wird Single Cell NAND (SLC) genannt. Weil es nur jeweils eine Zelle gibt, ist der Controller weniger fehleranfällig als bei mehreren Zellen. Deswegen ist SLC schneller und zuverlässiger als die moderneren Varianten.

Alle Flash-Chips unterstützen nur eine begrenzte Zahl an Write-Erase-Operationen. Bei SLC sind dies normalerweise etwa 100.000, bevor es zu Ausfällen kommt. Bei Mehrzellen-Chips ist diese Zahl wegen der höheren Belastung niedriger.

SLC-Laufwerke verdanken ihren Erfolg fortschrittlichen Controllern und Firmware, die Operationen wie Over-Provisioning und Caching ausführen können. Die Architektur mit einer Zelle garantiert Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit, ist allerdings auch teuer.

Multi-Level Cell NAND

Um Kosten zu senken, wurde Multi-Level Cell NAND (MLC) eingeführt. Dabei werden zwei Bits auf einer Zelle gespeichert (die Bezeichnung Multi ist etwas irreführend). MLC hat eine größere Kapazität und niedrigere Preise pro Bit als SLC.

Leider ist MLC-Flash nicht so schnell und fehleranfälliger als SLC. Die Gefahr der Datenkorruption besteht und die Haltbarkeit ist geringer. Wegen der der höheren Anzahl der Bits muss der Voltstatus exakter gemessen werden und dies führt zu höheren Temperaturen. Auch Operationen auf der Zelle sind komplizierter, weil mehr Bits navigiert werden müssen. Während es bei SLC nur die Zustände 0 und 1 gibt, sind es MLC vier Zustände (00, 01, 10, 11).

Die höhere Datenkorruptionsrate erfordert häufigeres Eingreifen der Fehlerkorrektur (ECC), was sich negativ auf die Geschwindigkeit auswirkt. Auch die physischen Mechanismen zur Ermittlung des Voltstatus sind rascher abgenutzt. Dies senkt die Messlatte der Write-Erase Vorgänge auf etwa 3.000 bis 10.000, sehr viel weniger als bei einer SLC.

Genau wie SLC nutzt MLC Mechanismen wie Wear Leveling, Garbage Collection, Caching und Over-Provisioning, um die Lebensdauer des Laufwerkes zu erhöhen.

Zusätzlich bieten einige Hersteller Enterprise MLC (eMLC) Flash-Laufwerke an, die etwas langsamer sind und eine geringere Datendichte pro Zelle haben, aber dennoch die MLC-Architektur nutzen. Das erhöht die Lebensdauer um etwa das Dreifache. Bis zu 30.000 Write-Erase-Zyklen sind möglich.

Triple-Level Cell NAND

Triple-Level Cell NAND (TLC) wurde eingeführt, um den stetig höheren Bedarf nach Unternehmensdaten zu befriedigen. Drei Bits werden auf einer Zelle gespeichert. Die Dichte ist höher als bei SLC und MLC und der Preis ist niedriger.

Allerdings steigt bei höherer Dichte auch die Komplexität und Voltoperationen werden aufwendiger. TLC ist langsamer, fehleranfälliger und hat geringere Write-Erase-Zyklen als MLC. Weil die Zellen näher beieinander sind, muss der Controller den Voltstatus genauer ermitteln. Bei TLC gibt es acht mögliche Zustände (000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111).

Auch die ECC muss häufiger eingreifen, was das System zusätzlich ausbremst. Die Lebensdauer von TLC beträgt nur etwa 500 bis 1.000 Write-Erase-Zyklen. Deswegen verwenden viele Unternehmen TLC nur für leseintensive Vorgänge und nicht für schreibintensive.

Glücklicherweise schreitet die Entwicklung von unterstützenden Technologien für TLC rasch voran. Bald könnte TLC zusätzliche Workloads besser unterstützen. Im Moment ist es aber eher zu empfehlen, bei SLC oder MLC zu bleiben. Das gilt zumindest solange, bis neue Technologien wie 3D-NAND verfügbar sind.

3D-NAND

3D-NAND stapelt zusätzliche Schichten von Ebenen übereinander in der dritten Dimension, während SLC, MLC und TLC Daten nebeneinander in einer Schicht von Speicherzellen ablegen. Mit höheren Bit-Raten und schrumpfenden Zellengrößen können die Hersteller SSDs mit höherer Dichte und niedrigeren Preisen pro Gigabyte anbieten. Aber die höheren Dichten bedeuten auch mehr elektronische Interferenzen und geringere Haltbarkeit. Das erschwert die Einführung von NAND mit höherer Dichte.

3D-NAND soll die physischen Grenzen von NAND überwinden. Jede übereinander liegende Schicht fußt auf einer MLC oder TLC Architektur, aber die Zwischenräume zwischen den Zellen sind größer als in einem Layout mit einer einzigen Schicht. Dadurch werden die Interferenzen und der Elektroverbrauch reduziert, aber die Dichte dennoch erhöht.

Die Schichtenarchitektur von 3D-NAND erhöht die Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Die Schreibleistung ist höher als bei MLC auf einer Schicht und die Kosten sind geringer. 3D-NAND gibt TLC einen Schub und positioniert es als Alternative auch für schreibintensive Anwendungen. Die 3D-Architektur eröffnet Perspektiven für die baldige Einführung von Quad-Level Cell (QLC) Flash mit vier Bits auf einer Zelle in naher Zukunft.

Die größte Herausforderung für 3D-NAND ist der aufwendige Produktionsprozess. Hohe Präzision ist nötig, um Schichten und Blöcke richtig zu positionieren. Erhebliche Investitionen sind erforderlich. Derzeit sind Samsung, Intel und Micron führend bei der Entwicklung von 3D-NAND, das voraussichtlich der kommende Standard für SSDs in Unternehmen werden wird. 

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Artikel wurde zuletzt im November 2017 aktualisiert

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