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Die Vor- und Nachteile von Flash Memory kennen und bewerten
Flash-Speicher und Solid-State-Geräte haben die Speicherbranche revolutioniert, aber um sie effektiv einzusetzen, müssen Sie ihre Vor- und Nachteile kennen.
Solid-State-Speicher, die auf der NAND-Flash-Speichertechnologie basieren, haben das Erscheinungsbild der Speicherinfrastrukturen von Unternehmen und Endanwender in etwas mehr als einem Jahrzehnt radikal verändert. Flash hat einen schwerfälligen Speichermarkt aufgerüttelt, der mit den Nachteilen veralteter Technologien zu kämpfen hatte. Seit der Einführung von Solid-State Storage erscheinen das Stapeln von Platten, um mehr Kapazität zu schaffen, und das Short Stroking, um die Leistung zu steigern, wie verzweifelte Versuche, noch ein bisschen mehr aus den rotierenden Disks herauszuholen.
Einige Vor- und Nachteile des Flash Memory waren von Anfang an offensichtlich, und viele der Nachteile wurden mit der Weiterentwicklung der Technologie behoben. Die ersten SSDs waren weitaus schneller als jede verfügbare Festplatte, aber sie hatten eine begrenzte Kapazität, einen sehr hohen Preis und litten unter den Zwängen veralteter Datenpipelines. Diese Situation hielt nicht lange an, da die NAND-Flash-Technologien schnell weiterentwickelt wurden und die Industrie viele der anfänglichen Mängel des Flash Memory eliminieren konnte.
Die Entwicklung von Solid-State-Speicher ist ein fortlaufender Prozess, bei dem es heute fast genauso viele Entwicklungen gibt wie in den Anfangstagen. Verbesserungen an SSDs werden weiterhin in einem hohen Tempo vorgenommen.
Die Fortschritte in der Flash-Memory-Technologie sollten jedoch nicht den Eindruck erwecken, dass andere Speichermedien ins Hintertreffen geraten oder zurückgeblieben sind. Festplatten spielen in Unternehmen und Cloud-Speicherumgebungen nach wie vor eine wichtige Rolle, und die Festplattenhersteller verbessern die Kapazitäten und die Leistung von HDDs kontinuierlich. Western Digital hat vor kurzem eine Festplatte mit einer Kapazität von 26 TB auf den Markt gebracht, die auf der SMR-Technologie (Shingled Magnetic Recording) basiert. In ähnlicher Weise bietet Seagate Festplatten mit 22 TB an, verspricht aber, diese Kapazität in den nächsten Jahren mehr als zu verdoppeln.
Speichertechnologien, die weder Solid-State noch magnetisch sind, sind ebenfalls in der Entwicklung, beispielsweise Speichermedien auf DNA- oder Quartz-Basis, und könnten Datenkapazitäten bieten, die die Fähigkeiten der aktuellen Produkte in den Schatten stellen.
Dennoch bietet Solid-State immer noch viele Vorteile gegenüber den derzeit verfügbaren Speichermedien. Es gibt jedoch einige wichtige Faktoren, die bei der Entscheidung zwischen Solid-State- oder rotierenden Disk-Speichern oder einer Kombination aus beiden zu berücksichtigen sind.
Vorteile von Flash Memory
Wie der Name schon sagt, ist Flash Memory schnell im Vergleich zu herkömmlichen magnetischen Medien. Je nach den Kriterien, die zur Leistungsmessung verwendet werden – Durchsatz, IOPS oder Latenz – übertrifft Solid-State Festplatten um ein Vielfaches, mindestens um das Zwei- oder Dreifache.
Während der Flash-Durchsatz, der üblicherweise in Megabyte gemessen wird, den von HDDs leicht übertreffen kann, sind andere SSD-Leistungsstatistiken weitaus beeindruckender. Je nach Größe des Datenblocks kann eine schnelle HDD beispielsweise bis zu 200 IOPS erreichen, während die IOPS einer SSD in die Zehntausende gehen können. Die Verbesserungen der Solid-State-Hardware und -Software vergrößern den Leistungsunterschied weiter, da die Festplattenleistung langsamer geworden ist. Wenn es also auf Geschwindigkeit ankommt, ist Flash die klare Wahl.
Einige der physischen Eigenschaften von Flash Memory verschaffen ihnen ebenfalls einen Vorteil gegenüber Festplatten. Flash-Laufwerke sind wahrscheinlich langlebiger als Festplatten, da sie keine beweglichen Teile haben wie Festplatten mit Stapeln von sich drehenden Platten und Lese-/Schreibköpfen, die diese Platten durchlaufen. Ohne Motoren, Aktuatoren und schwere Platters sind Solid-State-Speichereinheiten leichter als HDDs, verbrauchen weit weniger Strom und erzeugen daher weniger Wärme als Festplatten.
SSDs werden oft so verpackt, dass sie in Laufwerksschächte für Festplatten passen, aber das ist nur aus Bequemlichkeit, wenn Standardschnittstellen verwendet werden, die ursprünglich für HDDs gedacht waren. Neuere Flash-Formfaktorenkönnen die gleiche oder eine höhere Kapazität in viel kleineren Einheiten unterbringen, so dass weniger Platz benötigt wird, um Petabytes an Speicherplatz in Rechenzentrums-Racks unterzubringen.
Der PCIe-Bus sowie die NVMe-Schnittstelle und das NVMe-Protokoll bieten leistungsstärkere Leitungen für SSD-Daten. Diese Technologie verringert die Abhängigkeit von den SATA- und iSCSI-Verbindungsstandards aus der Festplattenära und ermöglicht praktischere Formfaktoren wie M.2 sowie Enterprise und Data Center Standard Form Factor.
Trotz all der beweglichen Teile haben sich die Festplattentechnologien im Laufe ihrer fast 70-jährigen Lebensdauer kontinuierlich verbessert und ein beeindruckendes Maß an Zuverlässigkeit und Haltbarkeit erreicht. Dennoch übertrifft Flash Memory die Zuverlässigkeit und Ausdauer von Festplatten, und da es keine beweglichen Teile gibt, ist Flash Memory für den Einsatz in mobilen Geräten viel zuverlässiger.
Nachteile von Flash Memory
Flash ist schnell, klein und leicht und verbraucht kaum Strom. Bei der Bewertung der Vor- und Nachteile von Flash Memory ist es schwer, sich irgendwelche Nachteile vorzustellen. Es gibt nicht viele Nachteile, aber ein wichtiger Punkt sind die Kosten. Gemessen an der Kapazität kostet Flash-Speicher immer noch etwa das Fünf- bis Achtfache eines Festplattenlaufwerks mit vergleichbarer Kapazität.
Alle Vorteile von Flash Memory sind mit einem Preisaufschlag verbunden, auch wenn dieser stetig sinkt. Bei bestimmten Implementierungen kann der Kostenunterschied fast verschwinden, vor allem, wenn Sie Flash-Laufwerke verwenden, um eine Reihe von Short-Stroke-Festplatten mit geringer Kapazität (10K rpm) in einem leistungsorientierten Array zu ersetzen. Eine Handvoll SSDs kann die gleiche oder eine bessere Leistung erbringen, ohne den Kapazitäts-Overhead und die Kosten, die das Short Stroking mit sich bringt.
Es ist wichtig anzumerken, dass die Preise für NAND-Flash-Laufwerke stetig gesunken sind und dies wahrscheinlich auch weiterhin tun werden. Sie werden vielleicht nie so billig sein wie Festplatten, aber wenn sich die Preisdifferenz verkleinert, werden die Vorteile von Flash immer größer. Jüngste Ereignisse wie die COVID-19-Pandemie, Probleme in der Lieferkette und eine stärkere Abhängigkeit von Cloud-Speicherdiensten haben zu wachsenden Beständen sowohl bei Flash- als auch bei magnetischen Medien geführt, wobei vor allem die Flash-Preise deutlich gesunken sind. Für viele Unternehmen könnte dies der richtige Zeitpunkt sein, um die Speicherressourcen vor Ort auszubauen.
Selbst angesichts ihrer höheren Preise können sich Solid-State-Geräte in bestimmten Umgebungen, zum Beispiel in größeren Rechenzentren, als wirtschaftlicher erweisen. Berücksichtigt man die mit der Verwaltung und Wartung einer Speicherinstallation verbundenen Kosten wie Stromverbrauch, Kühlung und Stellfläche, kann der Preisunterschied zwischen Flash- und Festplattenspeicher vollständig verschwinden, selbst wenn die Solid-State-Geräte anfangs mehr kosten. Der viel geringere Stromverbrauch, der kühle Betrieb und die Möglichkeit, Petabytes an Kapazität in ein einziges Rack zu packen, könnten zu Gesamteinsparungen bei Flash oder zumindest zu einer Parität mit Festplattenimplementierungen führen.
Ein weiterer Kritikpunkt an Flash Memory ist ihre mangelnde Belastbarkeit bei hohen Schreiblasten. Ähnlich wie bei Festplatten verschlechtert sich die Leistung von SSDs bei wiederholter Nutzung. Bei Festplatten ist es einfacher, neue Daten über gelöschte Daten zu schreiben, da das Laufwerk die alten Daten nicht löscht, sondern lediglich Speicherplatz für neue Schreibvorgänge bereitstellt. Bei NAND-Flash-Laufwerken müssen die alten Daten zuerst entfernt werden, bevor die neuen Bits in die Zellen eingefügt werden können (ein Vorgang, der als Programm/Lösch-Zyklus bezeichnet wird). Das verlangsamt die Schreibvorgänge und erhöht den Verschleiß. Die Hersteller haben dieses Problem auf verschiedene Weise angegangen, indem sie Techniken entwickelt haben, die die Anzahl der Prozesse reduzieren, die erforderlich sind, um die Zellen für neue Schreibvorgänge wiederherzustellen.
Ein weiteres Problem der Flash-Ausdauer hängt mit der Architektur von NAND zusammen. Die ersten SSDs speicherten ein einzelnes Datenbit in jeder Flash-Zelle. Das führte zu schnellem, langlebigem und teurem Flash-Speicher. Seitdem hat sich die Anzahl der Bits pro Zelle stetig erhöht, und heute sind Triple-Level-Cell und Quad-Level-Cell (QLC) mit 3 beziehungsweise 4 Bits pro Zelle die Norm.
Diese neueren NAND-Generationen ermöglichen größere Kapazitäten und niedrigere Preise pro Gigabyte, aber sie verlangsamen auch den Betrieb und erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bit in einer Zelle die Daten in einer angrenzenden Zelle beeinflusst. Auch hier wurden Controller-Technologien entwickelt, um diese Probleme zu lösen, und die Ausdauer von Flash Memory wird kontinuierlich verbessert.
Älteres Flash Memory bot weitaus weniger Kapazität als Festplatten, so dass sie nur für bestimmte Hochleistungsfunktionen eingesetzt werden konnten, die keine große Kapazität erforderten. Doch mit Flash-Technologien wie QLC und 3D-NAND, bei denen die Zellen auf den NAND-Chips in Schichten übereinander gestapelt werden, sind die Kapazitäten für SSDs stetig gestiegen und können nun mit denen von Festplatten mithalten.
Es wird erwartet, dass die Flash-Chips noch dichter bestückt werden, und 4 Bits pro Zelle werden mit Penta-Level-Cell-Flash bald in den Schatten gestellt werden. Mit fünf Bits in einer einzigen Zelle lassen sich SSDs mit wesentlich höherer Kapazität herstellen. Und die maximale Anzahl der Schichten in 3D-NAND-Flash nimmt ebenso weiter zu.
Genauso wie die Festplatten in den letzten Jahren immer größer geworden sind, steigen auch die SSD-Kapazitäten weiter an: Mehrere Hersteller bieten derzeit SSDs mit 30 TB an. Proprietäre Designs können diese Marke übertreffen, wie zum Beispiel das DirectFlash-Modul von Pure Storage mit einer Kapazität von 48 TB. Da NVMe über PCIe 4.0 allgegenwärtig wird, werden auch die IOPS von SSDs einen deutlichen Anstieg erfahren.
SpezielleAnwendungen können auf Festplatten ausweichen
Während sich die Speichermedien weiterentwickeln, ändern sich auch die Art und Weise, wie wir diese Ressourcen nutzen, und unsere Erwartungen.
Cloud-Speicher ist immer noch weitgehend eine Domäne der Festplattensysteme, wobei Bänder für Archivierungsanwendungen verwendet werden. Sicherlich bieten die meisten Anbieter von Cloud-Speicherdiensten auch Solid-State-Speicher an, aber die Vorteile von Flash-Speicher können durch langsame Telekommunikationskanäle beeinträchtigt werden. Wenn die Anwendungen, die auf die Daten zugreifen, ebenfalls bei demselben Cloud-Service angesiedelt sind, können die Vorteile von Flash natürlich genutzt werden.
Angesichts der Vielfalt der verfügbaren Speichermedien und -ressourcen ist ein hybrider Ansatz für die meisten Unternehmen wahrscheinlich die beste Lösung, bei der On-Premises-, Cloud- und Remote- oder Edge-Storage als eine Einheit verwaltet werden können. Speichersysteme - unabhängig von den verwendeten Medien - sollten über intelligente Migrationssoftware verfügen, um Daten zu verwalten und sicherzustellen, dass sie am richtigen Ort und auf den am besten geeigneten Medientypen gespeichert werden.
In einigen Fällen kann die Rolle der Speichersysteme die der verwendeten Medien überschatten, wie zum Beispiel beim Computational Storage. Die Anwendungen, die der Speicher unterstützen soll, können sogar für mehrere Medientypen sprechen, insbesondere bei datenintensiven Anwendungen, die sowohl große Kapazitäten als auch eine hohe Verarbeitungsleistung benötigen, um die Datenberge zu verarbeiten.
Das Beste aus beiden Welten
Die sinkenden Preise und die steigenden Kapazitäten von SSDs haben dazu geführt, dass sie in allen Bereichen - von Unternehmens-Arrays über Server bis hin zu Laptops - zum Einsatz kommen. Aber Festplatten haben immer noch ihren Platz, vor allem für sekundäre Speicheranwendungen, wie zum Beispiel Backup und Archivierung.
Während All-Flash-Arrays einen Teil des Unternehmensmarktes erobert haben, gibt es immer noch viele Anwendungen, die von einer hybriden Umgebung profitieren können, in der leistungsstarke Solid-State-Speicher mit kostengünstigen Festplatten mit hoher Kapazität kombiniert werden. Und Tape bietet nach wie vor ein effektives Offline- und Archivierungs-Repository mit einer Portabilität und niedrigen Kosten, die weder HDD noch SDD schlagen können.
