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Transcend: nichtflüchtige Speicher

Das Grundprinzip ist noch immer gültig

9. Mai 2017, 11:11 Uhr | Von Manuel Spaniel ist Senior Account Manager bei der Transcend Information Trading GmbH

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Interfaces

Ein wichtiger Meilenstein für die Verwendung von Flashspeichermedien in der Industrie und weiteren Marktsegmenten wurde 1995 mit der Gründung der Compact Flash Association gelegt. Die erste maßgebliche Verbreitung von Flashmedien in der Industrie stellten auf industrielle Applikationen abgestimmte SLC-Flashkarten dar. Auch wenn die ersten flashbasierenden Karten die noch mit Festplatten bestückten Micro Drives bereits in den neunziger Jahren verdrängten, fand das primär auf dem Sektor der aufkommenden Digitalfotografie statt. In diesem Sektor wurden die Compact-Flashkarten aber bereits seit etwa dem Jahr 2000 durch die neuen SD- sowie MMC-Karten im Markt attackiert.

Als vorläufiger Zwischenstand setzten sich die SD-Karten in allen Applikationen mit Wechseldatenträgern gegen MMC-, Memory-Stick- und CF-Karten durch. Aktuell finden eher noch die späteren SATA-basierenden Cfast-Karten in der professionellen Fotografie und professionellen Filmaufnahmen mit hohem Mobilitätsanspruch Verwendung. MMC hat sich als eMMC vor allem in mobilen Applikationen mit fest verbauten Speichermedien etabliert. Diese Auflistung soll vor allem zeigen, wie flexibel Flashlösungen auch im Hinblick auf die verwendeten Interfaces sind. Der eigentliche Speicherchip hat ohnehin keine direkte Verbindung zum Host, sondern nur zum Controller. Die Hauptaufgabe von Controllerherstellern wie Marvel, Hyperstone und SMI besteht demnach darin, die aktuellen Generationen von Flashchips mit den gängigen Interfaces zu verbinden und dabei alle Maßnahmen zu ergreifen, um die Haltbarkeit der Chips unter allen Umstanden zu gewährleisten. Letztes Highlight dieser Entwicklung ist die Implementierung des NVMe-Standards (Non-Volatile Memory express).

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Vormals wurden praktisch alle SSDs mit SATA-Schnittstelle, aber auch bei Anbindung über das PCIe-Interface mit dem Advanced Host Controller Interface (AHCI) betrieben. Wo liegen nun die Unterschiede? Vereinfacht ausgedrückt, wurde AHCI ursprünglich entwickelt, um Festplatten bei der Umstellung von PATA zu SATA weiter profitieren zu lassen. Die Idee war eine Warteschlange von Kommandos zu etablieren, damit der Festplattenkopf nicht nach jedem Befehl wieder im Bereich der File Allocation Table (FAT) nach dem nächsten auszulesenden Sektor suchen muss. Dazu wurde eine Command Queue mit 32 Befehlen eingeführt. So wurde es möglich, verschiedene Blöcke einer Datei an verschiedenen Speicherorten auf der Festplatte in einem Durchlauf auszulesen und dem Hostsystem effizienter zu übergeben.

Diese Maßnahmen greifen für Flashmedien natürlich deutlich zu kurz, weil die Controller, Caches und die Flashchips selbst schon deutlich geringere Latenzen aufweisen. Zudem können innerhalb eines Flashmediums – speziell bei einer auf Leistung ausgelegten SSD mit PCIe-Interface – deutlich mehr Vorgänge parallelisiert werden. Zum Vergleich: NVME bietet 65535 Command Queues mit je 65536 Befehlen pro Warteschlange. Überdies wurden die Effizienz bei der Zusammenarbeit mit dem Arbeitsspeicher und die Unterstützung mehrerer CPUs verbessert.

Anders als die weitverbreiteten Festplatten können Flashprodukte deutlich stärker miniaturisiert werden, weil keine beweglichen Teile untergebracht werden müssen, die mechanischen Grenzen unterliegen. Und auch wenn 2004 eine 0,85 Zoll große Festplatte mit 2 bis 4 GB Kapazität sicher noch eine interessante Lösung war, das Kernproblem dieser Technologie für mobile Applikationen bleibt die große Empfindlichkeit der mechanischen Teile für Vibrationen und Stöße. Im Umkehrschluss bietet gerade der Verzicht auf bewegliche Teile und die zunehmende Miniaturisierung der einzelnen Zellen Spielraum für zahlreiche Formfaktoren. Vor allem im industriellen Einsatzgebiet gab und gibt es eine große Bandbreite an speziellen Lösungen wie eMMC, UFS, COB, SSDs und m.2, die neben CF und SD weitere Möglichkeiten darstellen, schnelle, kompakte und robuste Datenträger in verschiedene Produkte zu integrieren.

Ausblick

Während sich 3D-V-NAND die Marktreife erarbeitet und sicherlich in der nahen Zukunft eine starke Marktdurchdringung erfahren wird, stehen bereits die nächsten technologischen Entwicklungen vor der Tür. Wie auch immer man diese am Ende nennen will oder sollte – 3D-XPoint, Optane, MRAM, Memristor und PCM –, das Ziel all dieser Entwicklungen ist dasselbe. Es geht um die Entwicklung eines nicht-volatilen Speichers, der die positiven Eigenschaften der NAND-Flash-Technologie übertrifft und Defizite vermindert oder ausmerzt. Wenn man die Latenzen von DRAM im Nanosekunden Bereich mit Millisekunden bei Flash vergleicht, bleibt ebenso wie bei den Transferraten noch erheblicher Spielraum für Verbesserungen. Intel ist mit seiner für Optane genutzten 3D-Xpoint-Technologie schon entscheidende Schritte weiter gekommen. Welche Nische diese Produkte besetzen werden, wird sich noch zeigen müssen. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird Storage Class Memory in Form von NV-DIMMs die erste sein.