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NAND-Flash hat eine unsichere Zukunft vor sich

Im Flash-Storage gibt es viele Neuentwicklungen: 3D NAND, DIMM, NVMe oder NVDIMM zum Beispiel. Ziele sind höhere Kapazitäten und geringere Latenzen.

Vier hauptsächliche Entwicklungen haben die Landschaft von Flash-Speicher in den vergangenen Jahren geprägt: 3D-Architekturen erlauben dichtere NAND-Chips; Memory-Flash stützt sich auf serverseitige DIMM-Slots und Bus-Connections für zusätzlichen Solid-State-Storage; nicht-flüchtiger (nonvolatile) Memory Express (NVMe) verbindet sich enger mit dem PCI-Bus eines Servers, um größere Performance zu gewährleisten; und NVDIMM ist über einen nicht-flüchtigen Layer an RAM angeschlossen.

Alle diese Technologien sind nun verfügbar. In diesem Artikel schildern wir die besten Anwendungsfälle und die Vor- und Nachteile jeder Technologie. Zusätzlich werfen wir einen Blick auf viel versprechende Technologien, die NAND-Flash ersetzen könnten.

Der Einsatz von NAND-Flash hat eine riesige Akzeptanz und ein starkes Wachstum erlebt – von Consumer-Geräten bis hin zu Desktops und in das Rechenzentrum hinein. NAND-Flash wird für primären (und als einziger) Speicher in vielen Consumer-Geräten eingesetzt, und man findet ihn außerdem in verschiedenen Formen mit und ohne Festplattentechnologie in PCs und in Rechenzentren.

Bis vor kurzem bestanden die meisten dieser NAND-Flash-Komponenten aus zweidimensionalem, „ebenem“ NAND-Flash. In den letzten paar Jahren sind die Fortschritte in der NAND-Flash-Technologie primär als Änderungen in der Oberfläche (oder Würfelgröße, gemessen in Nanometern), Dichte (Gigabits pro Quadratmillimeter), den Bits pro Zelle (Single-, Multi- und Triple-Zellen) und im Energieverbrauch beschrieben worden. Zusätzlich zu den technologischen Fortschritten werden die Produktionskosten weiterhin der alles beherrschende Faktor bleiben.

3D NAND

Obwohl alle Hersteller von NAND-Flash über Roadmaps verfügen, die von einer weiteren 2D-Entwicklung ausgehen, haben sie bereits 3D-NAND-Roadmaps in der Vorbereitung. Als relativ neue Form von NAND-Flash-Memory wird 3D NAND in drei Dimensionen hergestellt, indem mehrere Layers in der „vertikalen“ Dimension übereinander gestapelt werden. Vertikales Stapeln verbessert die Performance, die Zuverlässigkeit und die Kapazität der Geräte, weil sie durch höhere Kapazitäten einige der technischen Zwänge auflockert. Den neuen technischen Schlüsselparameter für 3D NAND stellt die Anzahl der Layers dar. Heutige 3D-NAND-Chips enthalten 24 und 32 Layer. Roadmaps gehen für die nächsten zwei oder drei Jahre von einem Anstieg auf 48 oder 64 aus.

Einige Solid-State Drives (SSDs), die auf 3D-NAND-Technologie basieren, sind heute bereits verfügbar, und weitere sollen folgen. Wenn eine neue Memory-Technologie auftaucht, sind die ursprünglichen Produktionskosten hoch und die Erträge sind niedrig. Es erfordert ein Jahr oder mehr an Produktion, um die Erträge ansteigen und die Mengen genug anwachsen zu lassen, um die Kosten auf ein produktionsförderliches Niveau zu senken, das gleichzeitig für den Markt akzeptabel ist. Herstellerschätzungen gehen davon aus, dass es wahrscheinlich zwei oder drei Jahre dauern wird, bevor die 3D-NAND-Produktion richtig in die Gänge kommen wird.

Während die Hersteller von NAND-Flash weiterhin Design- und Produktionsverbesserungen für die 2D- und 3D-Technologie vornehmen, erfinden andere Unternehmen neue Methoden, nicht-flüchtiges Memory einzusetzen. Dabei kommt es einigen darauf an, diese Technologie näher an den Prozessor heranzuführen. Da sich weitere Technologien in diese Richtung bewegen, wird die Unterscheidung zwischen Storage und Memory zunehmend verschwommen werden. Diese kommenden Technologien stellen verschiedene Umsetzungen davon dar, nicht-flüchtiges Memory in den Memory-Kanal zu platzieren.

NVM Express

NVMe ist ein neues Speicherprotokoll, das speziell für die Arbeit mit nicht-flüchtigen Memory-Varianten wie NAND-Flash entwickelt wurde, die in Speichergeräten eingesetzt werden. Es ist ein vereinfachtes Protokoll, das viele und sehr große Warteschlangen für diese schnellen Geräte organisieren kann. Eines der Probleme bei Datenübertragungen auf langen Strecken besteht darin, dass mit der zunehmenden Geschwindigkeit der eingesetzten Geräte die Layer der Speicher-Software in den Betriebssystemen zum eigentlichen Bottleneck werden – noch vor der Hardware. NVMe zielt darauf ab, dieses Problem zu vermeiden.

NVMe benutzt zur Zeit den PCI-Express-Bus als physisches Interface zu NVMe-Geräten, die bereits in verschiedenen Formfaktoren erhältlich sind. Die erste Gruppe von NVMe-Geräten bestand aus SSDs der Enterprise-Klasse, aber NVMe-SSDs der Consumer-Klasse sollen demnächst auf den Markt kommen. In unseren Labor-Tests haben wir gesehen, dass NVMe-SSDs deutlich schneller sind als SATA- oder SAS-SSDs und sich durch viel geringere Latenzen auszeichnen.

Die NVM Express Organization kündigte vor kurzem „NVMe over Fabrics“ an, um die Fähigkeiten von NVMe über längere Strecken auszudehnen und viele Geräte zu unterstützen. Dies wird für den Rest des Jahres 2015 und bis 2016 hinein ein sehr interessantes Entwicklungsszenario darstellen.

NVDIMM

Die NVDIMM-Technologie ist eine Möglichkeit, nicht-flüchtiges Memory (NVM) über DIMM-Slots in den Memory-Channel zu integrieren. Die NVDIMM-Technologie umfasst DRAM, NVM (zur Zeit NAND-Flash) oder beides. Sie kann in drei verschiedene Typen aufgeteilt werden: NVDIMM-N, NVDIMM-F und NVDIMM-P. Die meisten dieser Technologien erfordern einige BIOS-Eingriffe und eventuell zusätzlich Betriebssystemveränderungen, um sie vollständig zu unterstützen.

NVDIMM-N besteht aus DIMM, das sich aus DRAM und NVM zusammensetzt, aber nur die DRAM-Komponente ist in dem System sichtbar: Sie erscheint als eine Standard-RDIMM mit typischer DRAM-Kapazität und -Latenzzeit. Die NVM ist nicht durch den Host-Server adressierbar und fungiert lediglich als Backup für die DRAM.

Der Einsatz von NAND-Flash hat eine riesige Akzeptanz und ein starkes Wachstum erlebt – von Consumer-Geräten bis hin zu Desktops und in das Rechenzentrum hinein.

Auf der DIMM befindet sich mindestens so viel NVM wie DRAM, so dass alle Daten auf der DRAM geschützt werden können. Eine NVDIMM verhält sich wie eine normale DRAM, außer dass die DRAM-Inhalte auf der NVM gesichert sind: Im Falle eines Energieausfalls springen Superkondensatoren ein und liefern die notwendige Energie, um die DRAM auf die NVM zu kopieren. Für die NVDIMM-N ist Bios-Unterstützung erforderlich, um die Datensicherungsfunktionen auszuführen.

NVDIMM-F verfügt nur über NVM und keine DRAM. Manchmal wird sie als „Memory Channel Flash“ bezeichnet. Sie verwendet Block-orientierten Speicherzugang und kann die NVM in den Memory-Adressraum mappen. Für NVM werden in der Regel SSDs eingesetzt, aber die Latenzzeiten sind hier viel niedriger als bei regulärem Storage – meist im Bereich von ein- bis zweistelligen Mikrosekunden.

NVDIMM-P umfasst sowohl DRAM als auch NVM und kombiniert die Funktionen von NVDIMM-N und NVDIMM-F auf dem gleichen Modul. Die NVM ist für zwei Bereiche zuständig, einmal um die Lebensdauer der DRAM zu erhöhen, und zum anderen, um als Block-Storage zu dienen.

Anwendungsfälle für neue Flash-Technologien

Es gibt eine Reihe von Anwendungsfällen in den Unternehmen für diese neuen Speichertypen. Dazu gehören Cloud Computing, Virtualisierung, High Performance Computing (HPC), Datenbanken, Big Data oder Video-Editing für 4K in Echtzeit.

Diese schnelleren Speicher- und langfristigen Memory-Geräte sind in der Lage, eine insgesamt höhere Performance und niedrigere Latenzzeiten zur Verfügung zu stellen, was bedeutet, dass Entscheidungen schneller getroffen werden können – oft in Echtzeit. Applikationen antworten unter diesen Bedingungen schneller und einheitlicher und liefern so insgesamt eine höhere Quality of Service (QoS). Diese Eigenschaften können auch dazu beitragen, die Ausnutzung und Skalierbarkeit virtueller Maschinen zu verbessern.

Es gibt jedoch auch ein paar interessante Nebenwirkungen. Sobald Storage über höhere Performance und deutlich niedrigere Latenzen verfügt, kann die CPU-Auslastung signifikant ansteigen: Die CPU wartet nicht so lange, um I/O-Operationen zu vollenden, und hat deshalb mehr in weniger Zeit zu tun. Dies bedeutet, dass sich die Server-Ratio von physisch zu virtuell ändern kann, wenn man die Anzahl der einzusetzenden virtuellen Maschinen pro physischem Host auf Basis der CPU-Last berechnet. Wir haben auch gesehen, dass sehr schneller Storage zu Bottlenecks in anderen Gebieten wie Networking führen kann.

Ich war schon immer der Meinung, dass sich Solid-State-Storage und schnellere Netzwerke prinzipiell ergänzen.

Persistent Memory und seine Implikationen

Viele dieser neuen nicht-flüchtigen Memory-Technologien werden als „Persistent Memory“ (PM) bezeichnet. Diese neue PM-Technologie wird es nötig machen, dass Anwendungsentwickler das Schreiben von Applikationen und anderen bedeutenden Softwarekomponenten wie File- und Betriebssystemen überdenken müssen.

Persistent oder langfristiges Memory erscheint Anwendungen gegenüber als Byte-adressierbares Memory und nicht als Storage, wird aber aufgrund seiner Langlebigkeit zukünftig auch für die Datenwiederherstellung von demselben logischen Ort aus zur Verfügung stehen. Die Begriffe „LUN“ oder „File“ müssen dann wohl so geändert werden, dass sie zu einer neuen Technologie passen, die Memory-Adressen mappt mit dem, was einmal als Speichergerät bezeichnet wurde.

Angesichts dieser Technologie erheben sich viele Fragen. Werden wir noch Treiber brauchen, um Storage zu adressieren? Müssen File-Systeme „PM-aware“ gemacht werden? Werden wir weiterhin RAID oder etwas ähnliches als Schutzmechanismen brauchen?

Wie man sich vorstellen kann, sind einige neue Programmiersprachen erforderlich, um diese Technologien voll auszunutzen. Die Storage Networking Industry Association (SNIA) hat bereits im März 2015 die Version 1.1 vom NVM Programming Model (NPM) verabschiedet. Diese Spezifikation kümmert sich um einige der technischen Aufgaben rund um Persistent Memory, die sich von den klassischen Wegen, wie Storage adressiert wird, unterscheiden.

Mehrere Industriegruppen kümmern sich um die Auswirkungen von Persistent Memory auf zukünftige Softwaresysteme. Wer sich für damit zusammenhängende Themen näher interessiert, findet gute Einstiegspunkte bei SNIA NVM Programming Technical Workgroup und bei Persistent Memory Programming Project. Beide Industriegruppen liefern tiefer gehende technische Details für diese Themen rund um Softwareentwicklung.

Neue Memory-Typen

Die zugrunde liegende Technologie für das Speichern von Daten auf NAND-Flash basiert auf einem Floating-Gate-Transistor. Einige neue Memory-Technologien stützen sich auf verschiedene gerade entstehende Innovationen, die eventuell zukünftige Nachfolger von NAND-Flash sein könnten. Diese schließen unter anderem Phase Change Memory, Resistive RAM (inklusive Memristors) und Magneto-resistive RAM (inklusive Spin-Transfer Torque, STT) ein.

Einige oder alle von ihnen werden in den nächsten zwei bis fünf Jahren in merklichen Mengen erhältlich sein. Zusammen mit den Merkmalen Kapazität und Geschwindigkeit werden die Kosten dieser Technologien Einfluss darauf ausüben, welche von ihnen NAND-Flash folgen wird – falls es überhaupt eine schafft.

Im Juli 2015 haben Intel und Micron gemeinsam bekannt gemacht, einen „Durchbruch“ bei der neuen Memory-Technologie erzielt zu haben – genannt 3D XPoint. Beide Unternehmen beanspruchen, dass diese „Technologie bis zu 1.000 Mal schneller als NAND ist und über eine bis zu 1.000 Mal längere Haltbarkeit verfügt“. Sie habe außerdem eine „bis auf das Zehnfache größere Dichte als konventionelles Memory“. Diese Entwicklung hat sicher das Potenzial, eine Lücke zwischen DRAM- und NAND-Flash-Memory von heute zu füllen.

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Artikel wurde zuletzt im November 2015 aktualisiert

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