Memory Card

Eine Flash Memory Card – manchmal auch Speicherkarte genannt – ist ein kleines Speichergerät, das einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher verwendet, um Daten auf tragbaren oder entfernten Computergeräten zu speichern. Zu diesen Daten gehören Text, Bilder, Audio und Video.

Die meisten aktuellen Produkte verwenden Flash-Speicher, obwohl auch andere Speichertechnologien entwickelt werden, darunter Geräte, die dynamischen RAM (DRAM) mit Flash-Speicher kombinieren, wie zum Beispiel UltraRAM, das auf Quantenspeicher und -berechnung basiert.

Die Entwicklung der Flash Memory Card

Frühere auswechselbare Speichermedien wie PC-Karten, Smartcards und ähnliche Karten, die für Computerspiele zum Einsatz kommen, werden ebenfalls als Memory Cards bezeichnet. Die neueren Arten von Memory Cards sind jedoch kleiner, benötigen weniger Strom, haben eine höhere Speicherkapazität und können in mehr Geräten verwendet werden. Aufgrund dieser Eigenschaften beeinflussen Memory Cards die Produktion von immer mehr kleinen, leichten und stromsparenden Geräten.

Memory Cards bieten mehrere Vorteile gegenüber einem Festplattenlaufwerk (HDD): Sie sind viel kleiner und leichter, tragbar, leise, ermöglichen einen schnelleren Zugriff und sind weniger anfällig für mechanische Beschädigungen. Eine HDD bietet jedoch immer noch einen überzeugenden Vorteil: Obwohl die Preise für Flash-Speicher sinken, kostet eine typische Speicherkarte immer noch mehr – und hat eine geringere Speicherkapazität – als eine HDD mit hoher Kapazität.

Arten von Memory-Card-Formaten: Verbrauchergeräte

Es gibt mehrere Arten von Flash Memory Cards auf dem Markt, die sich grob in Verbrauchergeräte und Enterprise Storage aufteilen. Die Karten sind in unterschiedlichen Größen und Speicherkapazitäten erhältlich, die in der Regel direkt mit ihrem Preis korrespondieren.

Zu den gängigen Speicherkartenformaten, die in Verbrauchergeräten verwendet werden, gehören die folgenden:

• Secure Digital (SD)-Karten. Sie gehören zu den am häufigsten verwendeten Flash-Memory-Karten und sind in einer Vielzahl von Formaten, Geschwindigkeitsklassen und Kapazitäten erhältlich. Diese briefmarkengroßen Speichergeräte werden häufig in Handheld-Geräten wie Digitalkameras, Smartphones und Tablets verwendet. SD-Karten, die digitale Daten durch Verschlüsselung auf dem Gerät sichern, gibt es auch als miniSD- und microSD-Karten.
• SD High Capacity (SDHC) und SD Extended Capacity (SDXC) Card. SDHC- und SDXC-Karten sind Varianten des gängigen SD-Kartenformats. SDHC-Karten haben normalerweise eine Kapazität von 4 Gigabyte bis 32 GB, SDXC-Karten haben eine Kapazität von 32 GB bis 2 Terabyte (TB). SDHC- und SDXC-Karten sind mit herkömmlichen SD-Geräten abwärtskompatibel.
• MicroSD-Karten. Im Jahr 2005 führten SanDisk und Motorola gemeinsam das ursprüngliche microSD-Produkt ein, das damals unter dem Namen TransFlash bekannt war. Es handelte sich um eine herausnehmbare Karte mit 128 GB und einer Größe von 11 x 15 Millimetern für Mobiltelefone. Im Juni 2016 brachte SanDisk (jetzt Teil der Western Digital Corp.) eine Reihe von microSD-Karten mit 256 GB auf den Markt, darunter Ultra microSDHC- und microSDXC Ultra High Speed-I-Karten für Android-basierte Geräte. Der Hauptunterschied zwischen SD-Karten und ihren microSD-Cousins ist neben der Größe die Kapazität. Die maximale Speicherkapazität für das microSD-Format beträgt 1 TB, obwohl die neuesten SDHC Ultra Capacity-Karten bis zu 128 TB unterstützen können. MicroSD-Karten können mit einem microSD-zu-SD-Adapter auch in einem normalen SD-Kartensteckplatz verwendet werden.
• CompactFlash-Karten (CF Cards). Der Vorläufer der SD-Karte. Die ursprünglichen CF-Karten wurden nach dem Parallel-Advanced-Technology-Attachment-Standard (PATA) entwickelt und waren nicht größer als ein Streichholzbriefchen. CF-Karten enthielten einen Mikrocontroller und wurden als Flash-Speicher für hochauflösende Fotos verwendet. CF- und SD-Karten haben keinen integrierten USB-Anschluss für Computergeräte. Sie sind größer als SD-Karten und werden hauptsächlich in professionellen Kameras, wie zum Beispiel digitalen Spiegelreflexkameras der Spitzenklasse, und in industriellen Anwendungen eingesetzt. Aufgrund ihrer größeren Speicherkapazitäten und schnelleren Übertragungsgeschwindigkeiten sind sie ideal für umfangreiche Foto- und Videoaufnahmen.
• Memory-Stick-Karten. Sony entwickelte seine Memory-Stick-Technologie als austauschbares Flash-Speichergerät für die Übertragung von Fotos und hochauflösenden Videos. Sie wurden in zahlreichen Produkten eingesetzt, darunter Kameras, Camcorder und Spielkonsolen wie die PlayStation Portable. Ihre Beliebtheit hat jedoch nachgelassen, da SD-Karten den Markt inzwischen dominieren.
• USB-Laufwerke. Dieses tragbare Plug-and-Play-Flash-Speichergerät, auch als Flash Drive bekannt, wird in den Standard-USB-Anschluss eines Computers gesteckt. USB-Laufwerke läuteten den Niedergang der Disketten und in gewissem Maße auch den Rückgang der Compact Discs ein. Die meisten Flash Drives haben zwischen 2 GB und 64 GB Speicherplatz, je nach Typ und Hersteller können einige Laufwerke sogar bis zu 2 TB Daten speichern.
• Multimedia-Karten (MMCs). MMCs wurden 1997 von SanDisk und Siemens entwickelt und waren ursprünglich für die Verwendung der NAND-Flash-Speichertechnologie von Toshiba vorgesehen. Mit dem Aufkommen der SD-Kartentechnologie sind MMCs jedoch weniger verbreitet. Die meisten Hersteller von Computerhardware bieten keine Anschlüsse mehr für MMC-Geräte an.
• Embedded MMCs (eMMCs). eMMCs integrieren eine Flash-Karte in die Hauptplatine des Computers, zusammen mit der Controller-Software, um die eMMC als bootfähiges Systemlaufwerk zu verwenden. eMMCs wiegen etwa 2 Gramm und werden häufig in Smartphones, Tablets und anderen eingebetteten Geräten verwendet. eMMC-Speicher vereinen das Flash Memory und den Controller in einem einzigen Chip, was zu einer kleinen, kostengünstigen Speicheroption führt.
• Universal Flash Storage (UFS)-Karten. UFS-Karten sind relativ neu und bieten im Vergleich zu anderen Flash-Kartenformaten bessere Datenübertragungsgeschwindigkeiten. Sie sind häufig in High-End-Smartphones, Tablets und anderen Geräten zu finden, die eine schnelle, zuverlässige Speicherleistung erfordern.
• CFast- und CFexpress-Karten. Diese Hochleistungs-Flash-Speicherkartenformate eignen sich für die professionelle Fotografie und Kinematografie. CFast- und CFexpress-Karten haben die gleiche Größe wie CF-Karten, bieten aber schnellere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten und eignen sich daher gut für die Aufnahme von hochauflösenden Fotos und Videos.

Die meisten verfügbaren Flash-Memory-Typen verfügen über ein nichtflüchtiges Memory, der ständig mit Strom versorgt wird, insbesondere NAND-Flash. Ein nichtflüchtiger Speicher sichert die Daten im Falle eines Stromausfalls, eines Softwarefehlers oder einer anderen Störung und macht eine regelmäßige Aktualisierung der Daten auf der Speicherkarte überflüssig. Da Memory-Karten Solid-State-Medien verwenden, haben sie keine beweglichen Teile und sind weniger anfällig für mechanische Probleme.

Solid-State-Drive-Flash-Karten für Verbraucher

Im Gegensatz zu SD-Memory-Karten handelt es sich bei Solid-State-Laufwerken (SSDs) um nicht herausnehmbare Speicher, die in der Regel in größere Geräte wie Server und Computer eingebaut werden. Verbraucher-SSDs enthalten siliziumbasierte Speicherchips als Speichermedien für persistentes Storage.

Die ersten SSDs wurden im Allgemeinen für Verbrauchergeräte entwickelt. Das Debüt des Apple iPod im Jahr 2005 war das erste nennenswerte Flash-basierte Gerät, das sich auf dem Verbrauchermarkt durchsetzte. Heute bietet SanDisk eine Reihe von tragbaren SSDs an, die als SanDisk Extreme bekannt sind und eine Flash-Kapazität von bis zu 4 TB aufweisen.

Die ersten kommerziell entwickelten SSDs wurden mit Single-Level-Cell- (SLC) oder Multi-Level-Cell- (MLC) Flash-Speicher hergestellt. SLC verwendet ein hochwertiges Flash-Medium, das Leistung und Ausdauer bietet, aber in der Regel doppelt so viel kostet wie MLC-Flash.

Einige Flash-Memory-Karten für Endverbraucher werden von Unternehmen zum Zwischenspeichern von Lese- und Schreibvorgängen mit Hybrid-Flash-Speichern verwendet. MLC für Unternehmen ist eine MLC-NAND-Variante mit verbesserten Schreibzyklen im Vergleich zu MLC für Verbraucher. Einige neuere SSDs für Unternehmen verwenden Triple-, das 3 Datenbits pro Flash-Zelle speichert, und Quad-Level Cell NAND (QLC NAND), das bis zu 4 Datenbits pro Speicherzelle speichern kann. SSDs, die mit QLC NAND hergestellt werden, stellen die nächste Entwicklung bei Flash-Speicherprodukten dar.

SSDs für Unternehmensumgebungen

Die oben genannten Arten von Flash-Speicherkarten unterscheiden sich in den meisten Punkten von denen, die im Unternehmensspeicher verwendet werden. SSDs sind nicht alle gleich und daher auch nicht für alle Anwendungen geeignet. Aus diesem Grund ist der Unterschied zwischen einer Client-SSD und einer Unternehmens-SSD sehr groß. So sind beispielsweise die preiswerten SSDs für Verbraucher wie Samsung Evo, WD Green von Western Digital und Seagate BarraCuda für Verbraucheranwendungen gedacht, während die teuren Unternehmensoptionen wie Samsung PM883, Western Digital Ultrastar, Seagate Nytro und Kingston Technology DC500 in Rechenzentren und Unternehmensumgebungen eingesetzt werden.

EMC (jetzt Dell EMC) gilt als einer der ersten Anbieter, der SSDs in Unternehmensspeicherhardware einfügte, als er sie 2008 zu seinen Symmetrix-Festplattenarrays hinzufügte und damit das Aufkommen hybrider Arrays auslöste, die Flash-Laufwerke mit einer herkömmlichen Spinning-Disk kombinieren. Ursprünglich waren Unternehmens-SSDs in hybriden Arrays aufgrund ihrer höheren Kosten und geringeren Ausdauer im Vergleich zu HDDs auf das Caching von Lesedaten in Flash beschränkt.

SSDs sind in der Regel in ähnlichen Formfaktoren wie herkömmliche HDDs erhältlich, beispielsweise 1,8-Zoll, 2,5-Zoll und 3,5-Zoll. SSDs können in Steckplätze in Computerservern eingesetzt werden – als serverseitiger Flash-Speicher bezeichnet – oder als Teil eines Flash-Speicher-Arrays für Unternehmen verwendet werden.

PCIe-basierte SSDs sind für Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) konzipiert, ein Hochgeschwindigkeits-Erweiterungskartenformat, das einen Computer mit den angeschlossenen Peripheriegeräten verbindet. Im Vergleich zu SATA-SSDs (Serial Advance Technology Attachment) werden PCIe-SSDs bevorzugt, sind aber aufgrund ihrer direkten Verbindung mit der Hauptplatine eines Systems teurer. Sie bieten schnellere Datenübertragungsraten und werden häufig in Geräten verwendet, die Datenverbindungen mit hoher Schreib-/Lesegeschwindigkeit benötigen.

PCIe verfügt über eine Punkt-zu-Punkt-Architektur, die es jedem Gerät ermöglicht, sich über eine eigene serielle Verbindung mit einem Host zu verbinden, anstatt einen Netzwerkbus zu nutzen. Aufgrund dieser direkten Verbindung sind PCIe-SSDs im Allgemeinen leistungsfähiger als SATA-, Serial-Attached SCSI- (SAS) oder Fibre Channel- (FC) SSDs.

Flash Memory Cards in Servern

Neben SSDs gibt es weitere Formfaktoren für serverbasierten Flash-Speicher:

• Add-in-Card (AIC) SSDs. Diese passen in eine serielle PCIe-Verbindung.
• Disk-on-Module-Geräte. Diese werden als Flash-basiertes Boot-Laufwerk in ein Motherboard eingebaut. Diese Geräte verfügen über nichtflüchtiges Memory und werden häufig dort eingesetzt, wo eine HDD aufgrund der Einsatzumgebung ungeeignet wäre.
• Flash Dual Inline Memory Modules (DIMMs). Diese auch als Memory Channel Solid-State Storage bekannten Geräte nutzen ungenutzte DIMM-DRAM-Steckplätze als Flash-Cache mit niedriger Latenz und hoher Leistung, um die Leistung des Host-Servers zu puffern.
• SSDs mit M.2-Formfaktor. Die 2012 als Ersatz für Mini-SATA-Flash-Laufwerke eingeführten M.2-SSDs werden aufgrund ihres kompakten und dünnen Designs für Ultrabooks, Mini-PCs, Laptops und andere tragbare Geräte verwendet. Sie können bis zu 2 TB an Daten speichern und benötigen weniger Platz als 2,5-Zoll-SSDs oder Festplattenlaufwerke.
• Non-Voaltile DIMMs (NVDIMMs). Sie kombinieren DRAM mit nichtflüchtigem Speicher, in der Regel NAND-Flash. Es gibt drei Kategorien von NVDIMM-Karten:

• NVDIMM-N-Geräte machen nur den DRAM für das System sichtbar. Die Flash-Komponente ist kein adressierbarer Speicher und dient nur als Backup zum DRAM.
• NVDIMM-F, auch als Memory Channel Flash bezeichnet, enthält Flash und kein DRAM. Die Kapazitäten von NVDIMM-F sind mit denen von SSDs vergleichbar, allerdings mit geringeren Latenzzeiten als bei Standard-Flash-Speichern.
• NVDIMM-P kombiniert die Funktionalität von NVDIMM-F und NVDIMM-N auf einem Modul. Dieses nichtflüchtige Memory wird auf zwei Arten zugewiesen. Ein Teil davon dient der Persistenz von DRAM, während der Rest als Blockspeicher verfügbar ist.

Neue Spezifikationen für Flash Memory Cards

Das Non-Volatile-Memory-Express-Protokoll (NVMe) ist eine Spezifikation, die es einer SSD ermöglicht, den PCIe-Buszu nutzen. NVMe arbeitet am Host-Controller, um den Befehlssatz und die Funktionen zu definieren, die für die Rationalisierung des I/O-Stacks erforderlich sind. Das Ziel ist es, PCIe-basierte SSDs in die Lage zu versetzen, niedrige Latenzzeiten und einen höheren Durchsatz zu liefern und im Vergleich zu SAS- oder SATA-SSDs weniger Strom zu verbrauchen. Die neueste Spezifikation von NVME, NVMe 2.0c, wurde im Oktober 2022 veröffentlicht.

Die gemeinnützige NVM Express Inc. entwickelte die Branchenspezifikation NVMe over Fabrics (NVMe-oF), um der NVMe-Speicherschnittstelle die Übertragung von Datenbefehlen über Ethernet, FC, InfiniBand und andere Netzwerkstrukturen zu ermöglichen. NVMe-oF entwickelt sich schnell zu einem beliebten Speichernetzwerkprotokoll, das hohe Leistung, geringe Latenz, Skalierbarkeit und Unterstützung für bestehende Netzwerkprotokolle wie FC, TCPund Remote Direct Memory Access bietet.

Hybrider RAM-Flash-Speicher und Memory-Card-Technologie der nächsten Generation

Jahrzehntelang haben traditionelle Memory-Technologien wie DRAM und NAND-Flash als zuverlässige Speichertechnologien gedient. Angesichts der explosionsartigen Zunahme der Datenerzeugung und des Datenverbrauchs stoßen diese Optionen jedoch an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit, Kapazität und Energieeffizienz. Um diese Einschränkungen zu überwinden und neue Möglichkeiten zu erschließen, wurden mehrere Speichertechnologien der nächsten Generation entwickelt, die den wachsenden Anforderungen der datenorientierten Welt gerecht werden können.

Im Folgenden werden einige Flash-Speicher der nächsten Generation vorgestellt, die die Arbeitsweise der Industrie verändern, indem sie schnellere, bessere und zuverlässigere Speicheroptionen bieten:

• Resistiver RAM (ReRAM). Einer der vielversprechendsten Anwärter ist ReRAM, auch bekannt als RRAM. Bei ReRAM wird der Widerstand eines Materials, in der Regel eines Metalloxids, verändert, um Daten zu speichern. Dieser Ansatz ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Speichertechnologien schnellere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, eine höhere Speicherdichte und einen geringeren Stromverbrauch. Durch die Kombination der Stärken von RAM und Flash Memory hat ReRAM das Potenzial, sowohl DRAM als auch NAND-Flash in einer Vielzahl von Anwendungen zu ersetzen, von Rechenzentren bis hin zur Unterhaltungselektronik.
• Magnetoresistiver RAM (MRAM). MRAM verwendet magnetische Elemente zum Speichern von Daten, die ihren Zustand auch ohne Stromzufuhr beibehalten können, was sie zu einer nichtflüchtigen Memory-Option macht. MRAM bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Speichertechnologien, darunter schnelle Lese-/Schreibvorgänge, geringerer Stromverbrauch und außergewöhnliche Ausdauer. Aufgrund seines nichtflüchtigen Charakters und seiner hohen Zuverlässigkeit ist MRAM in Bereichen wie Automobil- und Industriesystemen von Vorteil, wo es bereits erhebliche Fortschritte gemacht hat. Einem Bericht von McKinsey zufolge wird die Zahl der in Kraftfahrzeugen verwendeten MRAM-Chips voraussichtlich von 600 im Jahr 2021 auf etwa 1.220 im Jahr 2030 steigen.
• Phase Change Memory (PCM). Durch Umschalten der Phase einer Substanz zwischen ihrem amorphen und kristallinen Zustand, in der Regel ein Chalkogenidglas, werden Daten in PCM gespeichert. Dies ermöglicht hohe Speicherdichten, schnelle Lese-/Schreibgeschwindigkeiten und nichtflüchtige Datenspeicherung. PCM hat das Potenzial, in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt zu werden, unter anderem in der Unterhaltungselektronik und in Hochleistungscomputern.