Flash-Speicher
Die Technik hinter Solid State Drives (SSDs)
Datenträger mit magnetisierten, rotierenden Platten sind ein Stück IT-Geschichte, das Computer seit ihrer Dämmerung in den 50er Jahren begleitet. Wer eine Festplatte aufschraubt, stellt fest, dass es sich um eine komplexe Maschine handelt. Im Vergleich erscheinen SSDs mit ihren unbeweglichen Halbleitern geradezu simpel: eine Reihe von Flash-Chips auf einer Platine – richtig? Nicht ganz: Bei genauem Hinsehen entpuppen sich SSDs als eigenständiges Speichersystem mit aufwendigem Controller, Cache und Speicherreserven.
Aufbau einer Speicherzelle
SSDs nutzen als Speicher Flash-Zellen. Anders als DRAM, das bei RAM-Speicherbausteinen zum Einsatz kommt, ist Flash nicht flüchtig. DRAM kombiniert einen Transistor mit einem Kondensator, um ein Bit zu speichern, und dieser ist auf Spannung angewiesen. Flash dagegen braucht keinen Kondensator, sondern kombiniert zwei Transistoren: einen Control-Gate-Transistor und einen Floating-Gate-Transistor.
Das Floating-Gate erzeugt einen Käfig, der bei angelegter Spannung Elektronen einfangen kann und dann permanent hält – auch ohne Spannung. Der Käfig ist durch eine Siliziumoxid- Schicht isoliert und Elektronen treten über einen quantenphysikalischen Tunneleffekt ein. Die gefangenen Elektronen im Floating Gate beeinflussen das elektrische Feld des anliegenden Control Gates und damit die Leitfähigkeit der Flash-Zelle. Die messbare Schwellenspannung, die dazu dient, die Zelle leitfähig zu machen, steigt mit der Ladung des Floating Gates und unterscheidet eine ungeladene Speicherzelle von einer geladenen. Dieser Effekt ist reversibel: Eine angelegte Löschspannung wirft die Elektronen aus dem Floating Gate und macht die Zelle wieder leitfähiger. Ein einziger Flash-Speicherchip fasst mehrere Milliarden dieser Zellen zusammen.
- Dr. Georgios Rimikis, Senior Manager Solutions Strategy, Hitachi Data Systems
"Die Nachfrage nach Flash Storage wird 2014 nach dem Durchbruch des zurückliegenden Jahres in vielen Märkten regelrecht explodieren. Dabei halten wir uns an die Maxime: All-Flash-Silos sind keine gute Lösung." - Thomas Meier, Chief Technologist Storage, Hewlett-Packard
"Bei KMUs ist die Nutzung von Flash-Storage abhängig von der Applikationsumgebung. Ein idealer Einsatzbereich für Flash-Storage sind Applikationen mit einem hohen Leseanteil. Aber auch in traditionellen Speicherarchitekturen kann Flash-Cache eingesetzt werden, um Engpässe in der IO-Performance innerhalb der Systeme zu kompensieren." - Robert Guzek, Senior Alliance Manager CE FTS CE ISS Market Operations, Fujitsu Technology Solutions
"Die Preise für Flash-Speicher werden 2014 dank der steigenden Nachfrage nach Solid State Drives und Storage-Systemen mit Flash-Komponenten weiter sinken. Das macht solche Systeme auch für mittelständische Unternehmen erschwinglich." - Vincenzo Matteo, Disk Product Management Director, Oracle
"Ganz bestimmt, allerdings nur wenn er auf sinnvolle Art und Weise als Mittel zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung verwendet wird. Flash Speicher müssen effizient und automatisiert auf Anwendungsanforderungen hin Verwendung finden." - Dr. Stefan Radtke, CTO Isilon Storage Division, EMC Deutschland
Für die Performance würden hunderte, wenn nicht tausende normale Disks benötigt, die ein Vielfaches an Energieverbrauch und Managementkosten verursachen. - Johannes Wagmüller, Director Systems Engineering, NetApp
„Nicht zwingend muss bei mittelständischen Unternehmen die Flash-Adaption in Reinform als Array erfolgen. Sinnvoller könnten Flash-Ergänzungen in bestehende Architekturen sein, sei es zur Beschleunigung oder für mehr Effizienz im Rechenzentrum." - Hans Schramm, Field Product Manager Enterprise, Dell
Es haben sich bei Flash-Storage mittlerweile ähnliche Strukturen etabliert, wie wir sie von den drehenden Platten her kennen: Auf der einen Seite kleine, schnelle aber teure Laufwerke, auf der anderen Seite große, nicht ganz so schnelle aber günstigere Drives. Das Ganze nun durch ein intelligentes Tiering Konzept verbunden ermöglicht neue Wege." - Michael Achtelik, Storage Business Leader DACH, IBM Deutschland
"Auch in KMUs steigen die Anforderungen an Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der IT-Infrastruktur stetig an. Flash-Technologien, vor allem neue All Flash-Arrays wie IBM Flash Systems, haben mittlerweile ein Leistungs- und Kosten-Niveau erreicht, das diesen Systemen einen sehr breiten Markt erschließt."
Speichertypen: NAND und NOR
Die Anordnung und Schaltung der Flash-Zellen kann auf zwei Wegen erfolgen: NAND und NOR. Beide nutzen das Floating-Gate-Prinzip, aber einen unterschiedlichen logischen Aufbau, um Bits zu speichern und zu lesen. Die einfachste Schaltung, um Speicherzellen zu verbinden, ist die Anordnung in Zeilen und Spalten. Die Leitungen, die eine Zeile verbinden, werden „Word-Leitung“ genannt. Spalten sind über die sogenannte „Bit-Leitung“ verbunden. Bei NORSpeicher lässt sich so jede einzelne Zelle, also jedes Bit auslesen: Liegt an der Word-Leitung eine Spannung zum Lesen der Zelle an, zeigt die Bit-Leitung je nach Ladungszustand einer Zelle entweder eine Spannung oder keine. Der logische Operator NOR entscheidet dabei, ob eine Zelle eine 0 oder eine 1 enthält (0 NOR 0 = 1; 1 NOR 0 = 0). Der NOR-Aufbau hat aber einen Nachteil bei der Verwendung in Chips: Word- und Bit-Leitungen brauchen viel Platz und machen das Chipdesign sehr komplex und teuer in der Herstellung.
Für Massenspeicher, die keine einzeln adressierbaren Bits brauchen, sondern in Sektoren zwischen 512 und 4096 Byte angesteuert werden, bietet sich ein anderes Logikgatter an: NAND (von Englisch „NOT AND“). Hier sind die Speicherzellen in einer Spalte über die Bit-Leitung in Serie geschaltet und zeilenweise geht eine Word-Leitung zu jeder Zelle. Gelesen werden kann immer nur eine ganze Zeile von Zellen, genannt „Page“ oder Speicherseite. Beim Anlegen einer Lesespannung an die Word-Leitung liefern die Bit-Leitungen der ganzen Zeile ein Ergebnis.