SPS-Flash: Die nächste Generation oder eine Fata Morgana?

stock.adobe.com

Speicherhersteller arbeiten ständig daran, die Kapazität zu verbessern und die Kosten zu senken. Nirgendwo wird dies deutlicher als beim Flash-Speicher, wo die Kapazitäten von Gigabyte auf 20 TB und mehr gestiegen sind. Die Leistung liegt weit über dem, was mit einer rotierenden Festplatte möglich ist, und die Kosten pro GB könnten bald die der Festplatte übertreffen.

Penta-Level Cell (PLC) Flash ist die neueste Generation von Solid-State-Speichern, die auf der 3D-NAND-Technologie basieren. Es verwendet fünf Bit pro Zelle zum Speichern von Daten und verspricht größere Volumina auf einem einzigen Chip und damit – so hoffen die Hersteller – niedrigere Kosten pro GB.

Allerdings bedeutet PLC-Flash, dass man eine Reihe von Kompromissen eingehen muss. Dazu gehören eine geringere Haltbarkeit, komplexere Steuerungen und damit eine geringere Leistung. Dies wird wahrscheinlich die Anwendungsfälle für PLC-Flash einschränken, insbesondere in seinen Anfangsjahren.

Die früheste Generation von NAND-Flash-Speichern nutzte die Single-Level-Cell-Technologie (SLC). Dieses heute weitgehend veraltete Medium konnte nur einen Zustand, eine 0 oder 1, pro Zelle speichern. Die Industrie entwickelte daraufhin einen mehrstufigen Zellspeicher, der vier Zustände oder Schaltergebnisse speichern konnte.

Triple-Level-Zellen (TLC) erhöhten die Anzahl der Spannungsschalter auf sieben. QLC mit vier Bits pro Zelle verfügt über 16 Zustände oder 15 Schalter. Dies ist derzeit der NAND-Speicher mit der höchsten Kapazität.

Derzeit sind 30-TB-QLC-SSDs bei Speicheranbietern weit verbreitet, während einige Hersteller – wie Pure Storage – proprietäre 48-TB-Laufwerke anbieten.

Damit ist die Kapazität von Flash selbst den größten herkömmlichen Festplattenlaufwerken überlegen, und PLC-Flash könnte die Kapazitäten noch viel weiter steigern. Alex McMullen, internationaler CTO bei Pure, prognostiziert, dass es „in den nächsten 10 Jahren“ Systeme mit 300 TB Kapazität geben wird.

Die Entwicklung von PLC- (und QLC-)Flash wurde durch Verbesserungen bei Speichercontrollern und Software vorangetrieben, die die kleineren Spannungen verwalten, die zum Schreiben von Daten verwendet werden.

Da 3D-NAND zur Norm in der Chip-Architektur geworden ist, haben die Hersteller Schichten hinzugefügt, ohne die Gates kleiner zu machen, was QLC zu einem praktischen Vorschlag macht und den Weg zum PLC-Flash ebnet.

Dennoch bringt die Umstellung auf PLC-Flash mit höherer Kapazität Herausforderungen mit sich; Die wichtigste davon ist die Anzahl der Spannungsebenen im Chip.

Ein SPS-Flash-Laufwerk mit fünf Bits pro Zelle speichert 32 Spannungspegel, wodurch der Unterschied zwischen den Spannungen sehr gering ist. Dies erschwert die genaue Lesung durch den Controller, macht den Speicher möglicherweise weniger stabil und könnte sich auf die E/A auswirken, da Controller und Fehlerkorrektursoftware gezwungen sind, härter zu arbeiten.

„Die maximale Steigerung der Bitdichte von QLC zu PLC wird 20 % betragen, wird aber aufgrund der erwarteten Komplexität, geringeren Leistung und Fragilität des Mediums mit einer viel größeren Kostenbelastung im Hinblick auf die Technik verbunden sein“, sagt McMullen von Pure.

Bei QLC beträgt der Unterschied zwischen den Ladezuständen etwa 6 %, bei PLC sinkt er jedoch auf 3 %. Dies erfordert eine wesentlich leistungsfähigere Fehlerkorrektur als beispielsweise MLC- oder TLC-Flash.

„SPS verfügt über mehr Bits auf der gleichen Siliziumfläche, daher sollte sie eine höhere Kapazität haben, allerdings auf Kosten der Datenzuverlässigkeit und -speicherung“, sagt Joseph Unsworth, Vizepräsident für neue Technologien und Trends, NAND-Flash, SSD und SSA bei Gartner. „Wir kennen die NAND-Dichte oder -Kapazität nicht, da es derzeit keine kommerziell erhältlichen Produkte auf dem Markt gibt.“

Chipentwickler müssen außerdem mehr Redundanz einbauen. Bei anderen Flash-Typen fügen Hersteller den Modulen bereits mehr Kapazität hinzu, um verschleißende Zellen abzudecken. Dieser Overhead dürfte bei PLC höher sein.

Bisher gibt es noch keine veröffentlichten I/O-Zahlen für PLC-Flash, da die Hersteller noch keine Muster veröffentlichen müssen, aber Speicheranbieter erwarten einen Leistungseinbruch – und dann gibt es Fragen dazu, wie lange PLC-Flash halten wird.

„Penta wird weniger langlebig sein. Das ist die unbestreitbare Mechanik. Da das Delta zwischen den einzelnen Ladestufen kleiner wird, muss man sorgfältiger programmieren, damit es langsamer arbeitet“, sagt McMullen von Pure.

Die Leistung und das Verhältnis zwischen Kosten und Kapazität bestimmen, wo und wie Unternehmen PLC-Flash einsetzen.

Zu den ersten Anwendungen dürften Archivierungs- und andere Langzeitspeicheranwendungen gehören, bei denen es nicht auf hohe Schreibgeschwindigkeiten oder -frequenzen ankommt, bei denen es aber auf die Kapazität ankommt. Dies könnte sich auf andere Bereiche erstrecken, in denen große Datenmengen verwendet werden, beispielsweise auf Trainingssysteme für maschinelles Lernen.

Es wird erwartet, dass PLC-Flash günstiger ist als QLC, obwohl Gartner mit Kosteneinsparungen von nur etwa 10 % rechnet, was möglicherweise nicht ausreicht, um CIOs zum Umstieg zu bewegen.

Die Akzeptanz in Unternehmen hängt auch von der Haltbarkeit der SPS-Flash-Module ab. Die frühesten Versionen von QLC-Flash schafften rund 1.000 Schreib-/Löschzyklen. Aktuelle QLC-Chips haben diese Zahl mindestens verdoppelt, im Vergleich zu 100.000 Zyklen oder mehr bei den langlebigsten Designs, die auf ausgereifteren Flash-Technologien basieren.

Bei der Langzeitspeicherung spielen Schreib-/Löschzyklen jedoch eine untergeordnete Rolle. Und es wird erwartet, dass PLC-Flash weitaus energieeffizienter ist als rotierende Festplatten mit großer Kapazität. Energieeinsparungen und ein geringerer CO2-Fußabdruck könnten Unternehmen dazu veranlassen, SPS-Technologie einzuführen.

Hersteller und Analysten sind sich jedoch einig, dass die Lieferung von SPS-Flash-Speichern in großem Maßstab noch mindestens zwei Jahre entfernt ist.

SPS ist nicht die einzige Möglichkeit für Hersteller, die Flash-Speicherkapazitäten zu erweitern.

Chiphersteller haben Hexa- und Heptazellen-Technologien bereits im Prototypenstadium demonstriert, wobei eine Heptazellen-Flashzelle über 128 Ladestufen verfügen wird. Eine 10-Level-Zelle ist theoretisch möglich, aber der Ladungsunterschied würde nur 0,1 % betragen, und das ist eine echte technische Herausforderung.

Stattdessen versuchen Speicherhersteller, Schichten zu bestehenden Technologien wie TLC und QLC hinzuzufügen. Wie Unsworth von Gartner betont, hat ein Chip mit einer höheren Anzahl von Schichten immer einen Kosten- und Leistungsvorteil gegenüber einem Chip mit mehr Ebenen, aber weniger Schichten, wenn man die Auswirkungen zusätzlicher Ebenen auf die Haltbarkeit und das Controller-Design berücksichtigt.

„Es ist denkbar, dass QLC so weit ist wie wir kommen, und wir werden mit mehr Schichten zu TLC zurückkehren“, sagt McMullen von Pure. Da die Roadmaps der Chiphersteller auf 500–600 Schichten abzielen, ist PLC keineswegs die einzige Option für die nächste Generation von Flash-Speichern mit hoher Kapazität.