Speicher: Technologien, Formfaktoren und Geschwindigkeiten

Immer schneller, immer größer und immer handlicher. So könnte man den Fortschritt bei der Entwicklung moderner Speichertechnologien umschreiben. Dabei kommt es gerade bei den Speichern innerhalb der Industrie noch auf ganz andere Dinge an. Dazu gehört zum Beispiel der Energieverbrauch, der möglichst gering sein sollte. Außerdem muss eine gewisse Zuverlässigkeit gegeben sein. Ausfälle können sehr schnell unangenehme Folgen haben. Niedrigere Ausfallraten als bei genutzten Speichertechnologien sind also sehr wichtig. Lesen Sie hier mehr über moderne Speicherarten und deren Einsatz auch im Bereich der Industrie.

Nichtflüchtige Speicher mit verschiedenen Technologien

Heutige Speichertechnologien sollen hohe Geschwindigkeiten und Kapazitäten, geringe Speicherlatenzen und einen geringen Stromverbrauch kombinieren, und das bei einer hohen Zuverlässigkeit und einer geringen Ausfallrate. Notwendig ist dies unter anderem durch die immer höheren Speicherzugriffe moderner Prozessoren mit mehreren Prozessorkernen. Im Laufe der Zeit wurden deshalb verschiedene Speichertechnologien entwickelt. Einige davon sind bereits seit längerer Zeit bekannt, andere sollen vor allem einen niedrigen Energieverbrauch mit einer ausreichenden Geschwindigkeit und Speicherkapazität verbinden. Hier sind einige wichtige Technologien, die heute am häufigsten zum Einsatz kommen:

– SSD (Solid State Drive, Halbleiterlaufwerk in der Bauart einer Festplatte) mit verschiedenen Formfaktoren (2,5“, 3,5“) und Schnittstellen (SATA, mini-SATA, kurz mSATA, alternativ in der Form M.2 für eine noch kompaktere Bauweise oder micro SATA)
– NAND-Flash, eine Form der so genannten Flash-Speicher, also ebenfalls nichtflüchtigen speichern, wie diese beispielsweise in USB-Sticks eingesetzt werden, allerdings hergestellt in der NAND-Technik mit einem wesentlich geringeren Platzbedarf
– NVM Express über die interne PCI-Express-Schnittstelle von Computern, die besonders bei parallelen Zugriffen auf verschiedene Speicherbereiche Vorteile in Form höherer Geschwindigkeiten bietet
– Persistent Memory als Brücke mit einer Geschwindigkeit ähnlich der von Hauptspeichern in Computern mit direkter Anbindung an die Rechnerarchitektur, teilweise auch in Verwendung als Flash-Speicher an der PCIe-Schnittstelle
– NVDIMM-Speichermodule, welche ebenfalls als NAND-Flasch aufgebaut sein können, also hohe Speicherkapazitäten und schnelle Zugriffszeiten bieten, dabei aber die Nachteile von Standard-DIMMs vermeiden

SSDs und andere Technologien mit unterschiedlichen Eigenschaften

SSDs sind moderne Halbleiterlaufwerke, die schon in ihrem ersten Formen vor vielen Jahren entwickelt wurden, aber erst in den letzten Jahren weitere Verbreitung fanden. Hauptsächlich sind es mobile Geräte, die mit SSD-Festplatten statt magnetischen Festplatten (HDDs) ausgestattet werden, wenn auch die SSDs meist (noch) eine etwas geringere Speicherkapazität haben. Es dauerte einige Zeit, bis diese Speicher das Stadium der Einzelanwendungen überwunden hatten und tatsächlich massenhaft eingesetzt wurden. Sie besitzen keine beweglichen Teile mehr wie herkömmliche magnetische Festplatten, haben wesentlich größere Zugriffszeiten und arbeiten geräuschlos. Damit bieten sie einige Unterschiede zu Magnetplatten. Benötigt werden für solche Laufwerke so genannte Flash-Speicher, nichtflüchtige Speicher mit schnellen Zugriffszeiten und hohen Kapazitäten. Die modernen Computersysteme verlangen nach diesen hohen Speicherkapazitäten, außerdem werden schnelle Zugriffszeiten bei niedriger Latenz und mit einem möglichst niedrigen Energieverbrauch benötigt. Vorteile bieten neuere Speichertechnologien wie beispielsweise NAND-Flash, welche über interne Speicherschnittstellen wie zum Beispiel NVM Express oder NVDIMM mit der restlichen Computerarchitektur verbunden sind.

NVM Express, NVDIMM und Persistent Memory

NVDIMMs bieten heute sehr hohe Speicherkapazitäten und sollen damit den Speicherhunger moderner Technologien stillen, natürlich verbunden mit einer möglichst schnellen Speichermöglichkeit und ohne die Nachteile batteriegestützter und flüchtiger RAM-Speicher. Die meisten NVDIMMs basieren noch auf herkömmlichen NAND-Flash-Speichermodulen. Viele sehen sie als Brücke zwischen DRAMs und Flash-Speichern, also einer maximalen Speichergeschwindigkeit, verbunden mit einer hohen Kapazität. NVN Express ist vielmehr eine Schnittstelle, genau gesagt eine Softwareschnittstelle in Form eines Protokolls, mit deren Hilfe nichtflüchtige Massenspeicher über PCI-Express mit einem Computersystem verbunden werden sollen, und zwar ohne die Installation zusätzlicher Treiber. Sie sollen vor allem die Geschwindigkeit erhöhen, mit der Speicherzugriffe erfolgen können. Auch Persistent Memory geht diesen Weg, soll also die Geschwindigkeit von Hauptspeichern und die hohen Kapazitäten anderer Speichertechnologien miteinander verbinden, und zwar durch die direkte Anbindung an die Rechnerarchitektur und die Verwendung von schnellen DRAM-Speichern. Die Speicherinhalte können auch ohne Refresh wesentlich länger gehalten werden als bei vielen anderen Speichertechnologien.

3D Xpoint mit geringer Speicherlatenz

Auch 3D Xpoint ist eine relativ junge Art von nichtflüchtigen Speichertechnologien, die sich durch eine geringe Speicherlatenz auszeichnet. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen NAND-Flash-Speichern besteht darin, dass diese Speicher sich wesentlich häufiger überschreiben lassen. 3D Xpoint basiert auf einer anderen Funktionsweise als NAND-Flash. Hier werden die Speicherinhalte durch eine Veränderung des elektrischen Widerstandes in den Speicherchips festgehalten, ganz im Gegensatz durch unterschiedliche Spannungen in Transistoren, wie dies bei anderen Speichertechnologien der Fall ist. Die in anderen Speicherarten eingesetzten Feldeffekttransistoren werden nicht mehr benötigt, wodurch die Speicher noch eine höhere Integrationsdichte aufweisen. Es lassen sich also noch mehr integrierte Schaltkreise auf einer bestimmten Fläche unterbringen.

Was sind die Unterschiede zwischen SLC, MLC und TLC?

Die Begriffe SLC, MLC und TLC beziehen sich auf SSDs, genauer gesagt auf die darin verwendeten Speichertechnologien. Die Buchstaben SLC beispielsweise stehen für „Single Level Cell“, also praktisch eine Einheit, in der ein Bit gespeichert wird. MLC heißt „Multi Level Cell“, also eine Zelle, in der mehrere Bits gespeichert werden können. Meist sind es genau zwei Bit pro Speicherzelle. TLC steht für „Triple Level Cell“, hier werden sogar drei Bit pro Zelle abgespeichert. Was bedeutet das nun? Zusammenfassend könnte man sagen, dass Speichermedien mit mehreren Bits pro Zelle eine größere Speicherdichte aufweisen, also eine erheblich größere Menge an Daten speichern können. Dafür haben die Speichermedien mit nur einem Bit pro Zelle eine wesentlich höhere Lese- und Schreibgeschwindigkeit und gelten darüber hinaus als stromsparender und langlebiger. Außerdem können diese Speichermedien in einem erweiterten Temperaturbereich eingesetzt werden. Eine wichtige Funktion bei SSDs ist übrigens das so genannte Wear Leveling, eine Art Abnutzungsausgleich. Diese Funktion verhindert, dass einige Speicherzellen so gut wie gar nicht, andere dafür häufiger ausgelesen und neu beschrieben werden. Durch diese Funktion soll also verhindert werden, dass eine ungleichmäßige Nutzung der verschiedenen Speicherzellen stattfindet und somit die Lebensdauer der Speichermedien verlängern.

Fazit:

Es kommt bei den heutigen Datenträgern keinesfalls nur auf eine immer höhere Speicherkapazität bei steigender Geschwindigkeit an. Auch die Art des Speicheraufbaus und vor allem die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit spielen eine wesentliche Rolle. An allen diesen Punkten wird ständig weitergearbeitet, neue Entwicklungen sollen all diese Eigenschaften in Einklang bringen. In vielen Bereichen ist dies schon gelungen, einige dieser Speichertechnologien haben noch mit Geschwindigkeitsverlusten oder mit hohen Ausfallraten zu kämpfen. Es bleibt abzuwarten, wie die Entwicklung weitergeht. Neue oder auf älteren Technologien aufbauende Speicherverfahren folgen sicher.

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