Neue Speichertechnologien stehen als NAND-Flash-Nachfolger bereit

Fortgeschrittene Phase-Change-Speicher könnten NAND-Flash im Enterprise Solid-State-Storage ersetzen. Bis es soweit ist, kann es aber noch dauern.

Obwohl NAND-Flash im Enterprise-Storage-Bereich noch über das Ende dieses Jahrzehnts hinaus erfolgreich sein könnte, stehen bereits vielversprechende mögliche Nachfolger in den Startlöchern und ziehen Aufmerksamkeit auf sich. Dabei handelt es sich unter anderem um Phase-Change Memory (PCM), Magnetoresistive RAM (MRAM) und Resistive RAM (RRAM).

In den letzten Jahren haben diese neuen Speicher-Technologien große Fortschritte gemacht, was zu einem Schub bei Leistung und Haltbarkeit führen könnte, der weit über den aktuellen Stand hinausgeht. So hat zum Beispiel IBM Research für einiges Aufsehen gesorgt, als sie bekannt gaben, dass sich mit Thermal-Based PCM künftig Systeme realisieren ließen, die Daten 100-Mal schneller abrufen als NAND-Flash und dabei gleichzeitig mindestens zehn Millionen Schreibzugriffe erreichen. 

Das würde eine exponentielle Verbesserung gegenüber den 30.000 Schreibzugriffen eines Enterprise Multi-Level Cell (eMLC) Flashs bedeuten.

Solange eine alternative Speichertechnologie hinsichtlich der Kosten nicht mit NAND gleichziehen kann, ist es aber unwahrscheinlich, dass sie sich zu einem ernsthaften Konkurrenten im Enterprise-Storage aufschwingen kann, egal wie groß der technologische Vorteil auch sein mag.

Das in Zürich ansässige IBM-Forschungslabor gab an, dass sie eine zuverlässige Speicherung von mehreren Bits pro Zelle erreicht hätten, nachdem sie den Widerstand des PCM-Materials über sechs Monate hinweg untersucht hatten, um die Stabilität der Zelle zu gewährleisten. 

Haris Pozidis, Manager für Speicher- und Prüf-Technologien am IBM-Forschungslabor in Zürich, geht davon aus, dass die Multi Level Cell (MLC) PCMs bis spätestens 2016 flächendeckend ihren Weg in die Unternehmensserver finden würden. Die Technologie kommt Anwendungen wie „Big Data“-Analysen und Cloud Computing zu Gute.

PCM und „Racetrack Memory“

PCM ist nur eine von mehreren Speichertechnologien, die von IBM gefördert wird. So beschäftigt sich das in Kalifornien ansässige Almaden-Forschungszentrum der Firma mit der „Racetrack Memory“ oder auch Domain-Wall Memory (DMW) genannten Technologie, die durch Vor- und Zurück-Verschiebung von Bits auf einem Nanowire „Racetrack“ basiert.

Ausgerüstet mit dieser Technologie könnten Mobiltelefone, Laptops und Unternehmens- server 100-Mal mehr Informationen speichern

In einem von IBM erstellten Bericht, der auf der eigenen Webseite unter der Rubrik „Symbol des Fortschritts” erschienen ist, gibt die Firma an, das Racetrack Memory zusammen mit einem dreidimensionalen Mikrochip „das Potenzial hat, nahezu alle Arten von herkömmlichen Datenspeichern zu ersetzen“. Ausgerüstet mit dieser Technologie könnten Mobiltelefone, Laptops und Unternehmensserver 100-Mal mehr Informationen speichern und weitaus höhere Zugriffsgeschwindigkeiten erreichen, so IBM.

Laut Stuart Parkin, Mitglied und Manager der Magnetoelectronics-Gruppe in IBMs Almaden-Forschungszentrum, bietet die Technologie zusätzliche Vorteile gegenüber Flash. 

Dazu gehören der geringere Verschleiß oder die fehlenden Limitierungen bei Schreibzugriffen. Zudem habe sie das Potential, NAND bei den Kosten zu schlagen. Parkin sagt voraus, dass der Racetrack-Speicher innerhalb der nächsten drei Jahre in Produkten eingesetzt werden könnte, was auch in etwa dem Zeithorizont von PCM entspricht. Allerdings sagt Pozidis von IBM, dass PCM „die Technologie der näheren Zukunft ist” und „viel weiter in der Entwicklung” sei als IBMs Racetrack Memory.

IBM nimmt mehr als eine Milliarde US-Dollar pro Jahr an Lizenzgebühren für sein geistiges Eigentum ein. Auch die Arbeit des Unternehmens an neuen Speichertechnologien bringt vielversprechende Resultate. Die Anstrengungen im Bereich PCM und Racetrack Memory machen jedoch deutlich, wie unklar es nach wie die vor ist, welche Speichertechnologie letzten Endes NAND-Flash ablösen wird.

„Ich nehme das, was IBM sagt, nicht allzu ernst”, sagt Greg Wong, Gründer und Chef-Analyst bei Forward Insights in North York im kanadischen Ontario. „Wenn ihr Geschäft darauf basieren würde, diesen Speicher herzustellen, zum Laufen zu bringen und kommerziell zu vertreiben, wäre es etwas anderes. Aber so sind sie nicht voll und ganz bei der Sache.”

PCMS, STT-MRAM und RRAM

Die großen Halbleiterhersteller, die „voll und ganz bei der Sache“ sind, erforschen mehrere Technologien, unter anderem PCM, MRAM und RRAM. Aber bis eine alternative Technologie genauso günstig oder günstiger ist als NAND, ist es unwahrscheinlich, dass sie ein ernst zu nehmender Mitbewerber im Enterprise-Storage wird, egal wie groß der technologische Vorsprung auch sein mag.

„Selbst die nächstgünstigste Technologie ist noch fünfmal teurer”, so Kevin Kilbuck, Marketingleiter der NAND Solutions Group bei Micron Technology, über die Forschung der Firma nach Alternativen.

In der Zwischenzeit ist Micron in vielen Bereichen aktiv, unter anderem bei PCM (durch die Akquise von Numonyx B.V. im Jahr 2010) und Spin-Transfer Torque Magnetoresistive RAM (STT-MRAM) sowie DRAM. Kilbuck geht davon aus, dass sich einige Technologien komplementär zu NAND-Flash entwickeln werden. „Sie könnten durchaus auch erfolgreich sein,” so Kilbuck. „Aber es ist zu früh, um zu sagen, dass es nur einen Nachfolger geben könnte.”

Troy Winslow, Leiter des Produkt-Marketings in Intels Non-Volatile Memory Solutions Group erklärt, dass Intel der Meinung ist, eine gestapelte PCM-Variante habe ein größeres Potential als MRAM in Unternehmensumgebungen. Dabei handelt es sich um die Technologie namens Phase Change Memory and Switch (PCMS), benannt nach ihrem PCM Element, das mit einem Ovonic-Threshold-Switch beschichtet ist.

Es steckt eine Menge Geld in NAND und viele Firmen stehen dahinter. So schnell wird es nicht vom Markt verschwinden.

Ray Lucchesi, Präsident und Gründer von Silverton Consulting.

Intel und Numonyx kündigten im Jahr 2009 an, sie hätten nachgewiesen, dass ein 64-Mb-Testchip mehrere Lagen von PCM-Arrays innerhalb eines einzelnen Die schichten kann. Das würde den Weg für größere Kapazität, Performance und Skalierbarkeit ebnen und es Endgeräten darüber hinaus ermöglichen, weniger Strom zu verbrauchen.

„NAND hat im Enterprise-Bereich noch ein langes Leben vor sich. Selbst wenn in den nächsten Jahren neue Technologien aufkommen, wird der Übergang einige Jahre dauern“, ergänzt Winslow.

Im Juli 2011 haben Hynix Semiconductor und Toshiba eine gemeinsame Pressemitteilung veröffentlicht. Darin kündigen sie eine Zusammenarbeit auf dem Gebiet von STT-MRAM an. STT-MRAM eignet sich nach ihrer Aussage sehr gut für den Einsatz in Smartphones eignet, da es eine hohe Geschwindigkeit mit hoher Kapazität und geringem Stromverbrauch kombiniert. Genauere Angaben machte Toshiba damals nicht. Experten gehen jedoch davon aus, dass STT-MRAM auch in Enterprise-Systemen zum Einsatz kommen könnte.

Samsung hingegen übernahm Grandis, das an STT-MRAMs forscht. Samsung integrierte Grandis in seine Forschungsabteilung, aber STT-MRAM ist nur eine von vielen NAND-Alternativen, in die Samsung investiert.

„Samsung als weltgrößter NAND-Verkäufer wird NAND nicht aufgeben, ohne alles versucht zu haben, was möglich ist” so Ray Lucchesi, Präsident und Gründer von Silverton Consulting in Broomfield, Colorado. „Es steckt eine Menge Geld in NAND und viele Firmen stehen dahinter. So schnell wird es nicht vom Markt verschwinden.”

Wong von Forward Insights erwartet nicht, dass MRAM oder die stapelbare Variante von PCM in der Lage sein werden, NAND preislich Konkurrenz zu machen. Seiner Meinung nach schauen sich die Hersteller PCM und MRAM an, um Teile von DRAM zu ergänzen oder zu ersetzen, so dass es als ein nicht-volatiler RAM fungiert, das anders als DRAM auch dann Daten speichert, wenn kein Strom vorhanden ist.

Laut Wong seien diese Technologien am nützlichsten, wenn es um zufällige, schreibintensive Aufgaben mit hohen I/O-Anforderungen geht, zum Beispiel um Datenbanken und Finanzanwendungen.

Geht es nach Wong, hat nicht PCM oder MRAM, sondern RRAM das größte Potenzial, um NAND zu ersetzen. Seiner Aussage nach arbeiten alle großen Speicher-Unternehmen an RRAM, das auf der Basis des wechselnden Widerstands zwischen zwei elektrischen Anschlüssen arbeitet. Hewlett-Packard (HP) hat ebenfalls eine Version am Start, die dort „Memresistor“ genannt wird.

„Theoretisch ist RRAM eine skalierbare Technologie”, sagt Wong. „Aber für eine Technologie, die NAND ersetzen soll, ist es zwingend erforderlich, dass sie stapelbar ist. Und das ist eine fundamentale Herausforderung.”

NAND-Flash-Nachfolger werden von der verlängerten Lebensdauer beeinträchtigt

Es ist noch immer nicht einfach vorherzusagen, welche vielversprechende Technologie NAND-Flash nachfolgen wird, da NAND-Flash über eine sehr viel höhere Lebensdauer verfügt als ursprünglich erwartet.

„Diese Genies in den Forschungsabteilungen finden immer neue Wege, um die Technologie noch einen oder zwei weiter zu auszureizen. So geht das schon seit fast zehn Jahren”, sagt Jim Handy, Gründer und Chef-Analyst bei Object Analysis in Los Gatos, Kalifornien. „Warum sollten sie das nicht noch zehn weitere Jahre so machen?”

Handy erinnert sich an eine Präsentation beim Intel Developer Forum 2003, in der einer der Teilnehmer voraussagte, dass sich NAND-Flash nicht auf weniger als 60 Nanometer (nm) skalieren ließe. Die Partner Intel und Micron schafften letztlich eine Verkleinerung von 50 nm über 34 nm auf 25 nm und sind jetzt bei 20 nm. Handy erwartet, dass die Strukturbreite des Flashspeichers letztlich auf bis zu 10 nm schrumpfen wird, bevor bei 8 nm das Ende der Fahnenstange erreicht sein wird.

Mit der Verkleinerung gingen signifikante Kostensenkungen einher. Auch die erweiterte Bestückung der Flash Zellen – wie bei den 2-Bit-pro-Zelle-MLCs oder der im Consumer-Bereich wachsenden Verbreitung von Triple-Level-Cell (TLC) Flash – reduziert den Preis. Aber diese Weiterentwicklung bringt auch unliebsame Konsequenzen wie die Verschlechterung der Haltbarkeit, Performance und Zuverlässigkeit mit sich.

Bisher waren die Hersteller in der Lage, 2-Bit-MLC-NAND-Flash in Datenspeichern von Unternehmen einsetzbar zu machen, indem sie mit Verbesserungen in Form von weiter entwickelten Controller-Technologien, Error Correction Codes (ECC) und dem sogenannten Wear Leveling arbeiteten. Trotzdem könnten ihnen bald die Tricks ausgehen.

Eine vielversprechende Entwicklung, die die Lebenszeit von Flash noch etwas verlängern könnte, ist 3D-NAND, bei dem die Zellen dreidimensional gestapelt werden. Kilbuck von Micron Technology vergleicht es mit einem Hochhaus, während das planare NAND-Flash ein einstöckiges Gebäude ist, das sich über eine große Fläche erstreckt.

„Es gibt viele Gespräche darüber, ob die aktuelle, planare NAND-Zelle irgendwann die Grenzen seiner Skalierbarkeit erreicht”, so Kilbuck. „Ich habe Leute sagen hören, dass es bis in den hohen Zehnerbereich gehen könnte. Ich habe andere Leute sagen hören, dass es in den einstelligen Bereich heruntergehen wird, bevor wir so etwas wie 3D-NAND haben werden.” Verfolgt man die aktuellen Meldungen, gerade auch bei Micron, so stehen die Chancen nicht schlecht für den 3D-NAND.

Laut Kilbuck kann die Industrie nicht wissen, welche Herausforderungen auf sie zukommen und wie lange die 3-D-Technologie die Lebensspanne von NAND verlängert, bis sie anfangen, 3-D-NAND in großer Menge zu produzieren.

„Jeder macht sich Sorgen über die Grenzen der Skalierbarkeit bei Flash und deshalb setzen alle auf andere Technologien” so Handy von Object Analysis. Aber er geht davon aus, dass es viel zu früh ist, um zu sagen, ob PCM, MRAM, RRAM oder eine andere Technologie gewinnen wird. „Wenn es noch zehn Jahre dauert, bevor NAND-Flash nicht mehr weiter geschrumpft werden kann, dann sind da noch zehn Jahre, in denen eine neue Technologie plötzlich um die Ecke kommen kann und der neue Favorit wird.”

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Artikel wurde zuletzt im Oktober 2014 aktualisiert

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