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Vor- und Nachteile verschiedener Flash-Speicher im Überblick
Verschiedene Flash-Speichertypen wie SLC, MLC oder TLC weisen unterschiedliche Leistungsmerkmale auf, zum Beispiel bei der Kapazität, Leistung und Lebensdauer.
NAND-Flash-SSDs sind weiterhin ein heißes Thema für IT-Profis. Sie haben sich an vielen Arbeitsplätzen und in Rechenzentren verbreitet und sind in einer Vielzahl von Speichersystemen zu finden, darunter SANs, NAS, DAS sowie in konvergenten und hyperkonvergenten Infrastrukturen. Die meisten Diskussionen über die Anschaffung von Speichermedien drehen sich nun auch um Flash-SSDs. Es gibt jedoch eine große Auswahl an Produkten, und die Entscheidung für das beste Produkt kann ein schwieriger Prozess sein.
Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl einer Flash-SSD ist die Anzahl der Bits pro Zelle. Die Hersteller bieten SSDs an, die eine von vier Arten von NAND-Zellen verwenden:
- Single-Level Cell (SLC): 1 Bit
- Multi-Level Cell (MLC): 2 Bits
- Triple-Level Cell (TLC): 3 Bits
- Quad-Level Cell (QLC): 4 Bits
Anbieter arbeiten auch an Penta-Level Cell (PLC)-Flash-SSDs, aber die Hersteller und Branchenanalysten sind sich einig, dass es noch mindestens bis 2023 dauern wird, bis PLC-Flash-SSDs in großem Maßstab ausgeliefert werden. Solidigm hat jedoch bereits einen funktionierenden Prototyp eines PLC-Laufwerks gebaut.
Unabhängig von den Fortschritten bei PLC sind SLC, MLC, TLC und QLC die aktuellen NAND-Flash-Optionen. Jeder der vier Typen bietet sowohl Vor- als auch Nachteile in Bezug auf Leistung, Kapazität, Haltbarkeit, Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Kosten. Im Folgenden finden Sie einige allgemeine Fakten, die Sie bei der Wahl einer Flash-SSD berücksichtigen sollten:
- Die Kapazität steigt mit jedem Bit, das der Speicherzelle hinzugefügt wird, exponentiell an. Die Kapazität bezieht sich in diesem Sinne auf die Anzahl der von jeder Zelle unterstützten Bit-Zustände.
- Die Leistung sinkt mit jedem Bit, das der Zelle hinzugefügt wird. Außerdem wird mehr Strom verbraucht, um die Lese-/Schreibvorgänge zu verarbeiten.
- Die Schreibausdauer (Write Endurance) nimmt mit jedem zusätzlichen Bit in der Zelle ab. Die Ausdauer wird anhand der Anzahl der unterstützten Programm-/Löschzyklen (P/E) während der Lebensdauer des SSD gemessen.
- Fehler nehmen mit jedem zur Zelle hinzugefügten Bit zu, wodurch die Anforderungen an den Controller steigen, Daten genau zu lesen, während gleichzeitig die Menge des Fehlerkorrekturcodes (Error Correction Code, ECC) im SSD-Controller steigt.
Wenn Leistung und Zuverlässigkeit an erster Stelle stehen, ist SLC eine gute Wahl, obwohl MLC je nach Arbeitslast eine brauchbare Alternative sein kann. Wenn Kapazität und Kosten die wichtigsten Faktoren sind, ist QLC die beste Wahl, wenn leseintensive Arbeitslasten ausgeführt werden. Andernfalls könnte die höhere Zuverlässigkeit und Schreibausdauer von TLC die bessere Option sein. Die Wahl einer Flash-SSD ist eine Frage der Kompromisse zwischen Leistung, Zuverlässigkeit, Kapazität und Kosten.
Flash-SSDs haben sich in den heutigen Rechenzentren deutlich durchgesetzt, sind aber gemessen an den Kosten pro Gigabyte im Allgemeinen immer noch teurer als HDDs. Bei geschäftskritischen Arbeitslasten lassen sich die zusätzlichen Kosten jedoch oft durch die weniger greifbaren Vorteile rechtfertigen, die sie bieten, wie zum Beispiel verbesserter Kundenservice, höhere Produktivität oder größere Wettbewerbsvorteile. Das Wachstum der Daten aus IoT, 5G, KI und maschinellem Lernen hat jedoch einen Bedarf an Speicher geschaffen, der sowohl Leistung als auch Kapazität liefern kann, weshalb es SSDs gibt, die mehr Daten effizienter speichern und dazu beitragen können, die Kosten pro Gigabyte zu senken.
Kosten und Kapazität von Flash-SSDs
Die Flash-Industrie wendet häufig zwei Strategien an, um die Kapazität zu erhöhen und damit die Kosten zu senken. Die erste besteht, wie bereits erwähnt, darin, mehr Bits pro Speicherzelle hinzuzufügen.
Die ersten Flash-SSDs enthielten nur 1 Bit pro Zelle, wobei jedes Bit immer einen von zwei Zuständen hatte: 1 oder 0: 1 oder 0. Jedes darüber hinaus hinzugefügte Bit erhöht die Anzahl der möglichen Bitzustände der Zelle exponentiell um den Faktor 2n, wobei n die Anzahl der Bits in der Zelle ist.
Indem sie die Anzahl der Bits pro Zelle erhöhen, können die Hersteller die Dichte eines NAND-Chips steigern, während sie die gleiche Chipgröße beibehalten. Auf diese Weise können sie die Kapazität erhöhen, ohne den Herstellungsprozess wesentlich zu verteuern, was zu einer Senkung der Gesamtkosten pro Gigabyte beiträgt.
Der zweite Ansatz zur Erhöhung der Kapazität ist der Wechsel von 2D (planaren) NAND-Chips zu 3D-Chips. Die 3D-Technologie ermöglicht es den Herstellern, NAND-Zellen übereinander zu schichten und so die Dichte zu erhöhen und gleichzeitig die I/Os zu reduzieren. Dieser Ansatz bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich, was die Leistung und Zuverlässigkeit betrifft.
Glücklicherweise konnten die NAND-Hersteller viele dieser Probleme durch die Verbesserung ihrer Herstellungsprozesse, die Aktualisierung der Controller-Software und die Einführung von Designänderungen lösen.
Tatsächlich verkaufen die Hersteller jetzt TLC- und QLC-3D-Flash-Laufwerke, die mehr als 200 Schichten aufweisen und mehr als 1 TB Daten speichern können. Die 3D-Technologie hat die Flash-SSD-Kapazitäten stark erhöht und die Gesamtkosten pro Gigabyte gesenkt, obwohl dies mit Kompromissen bei der Ausdauer, Leistung und Fehlerrate einhergeht.
Kompromisse bei Fehlern und Leistung
Mehr Bits pro Zelle verringern die Leistung, Ausdauer und Zuverlässigkeit und erhöhen die Fehlerrate. Für jedes hinzugefügte Bit wird mehr Zeit benötigt, um in eine Zelle zu schreiben und aus ihr zu lesen. Die zusätzlichen Bits erfordern auch mehr Spannung, um die Bit-Zustände in jeder Zelle zu erzeugen und zu identifizieren sowie den Stromfluss durch den Transistorkanal zu steuern.
Eine höhere Anzahl von Bits erhöht die Anfälligkeit einer Zelle für Rauschen, Prozessabweichungen und potenzielle Chipdefekte. Höhere Zelldichten gehen mit einer größeren Anfälligkeit für Temperaturschwankungen einher. Höhere Temperaturen können beispielsweise zu einem größeren Elektronenleck auf Zellebene führen. Im Allgemeinen gilt: Je mehr Bits pro Zelle, desto enger ist der Betriebstemperaturbereich. Der Betrieb außerhalb dieses Bereichs kann zu einer erhöhten Fehlerrate und der Möglichkeit von Datenverfälschungen führen.
Zusätzliche Bits pro Zelle bedeuten auch, dass der Flash-Controller eine komplexere Fehlerkorrekturtechnologie einbauen muss. Mit den steigenden Anforderungen an die Fehlerkorrektur steigt auch die Zeit, die für die Durchführung dieser Vorgänge benötigt wird, was zu geringeren IOPS und höheren Latenzzeiten führt. Allerdings kann 3D-Layering die IOPS verbessern, da es mehr Zellen auf einem einzigen Chip konsolidiert und so die Auswirkungen der Fehlerkorrekturoperationen etwas abmildert.
Natürlich spielt die Anzahl der Bits pro Zelle eine wichtige Rolle bei der Leistung von Flash-SSDs, aber sie ist nicht der einzige Faktor. Viele Unternehmens-SSDs verwenden beispielsweise eine Art Caching-Mechanismus, um die Leistung zu verbessern. Der Cache kann aus DRAM, Storage Class Memory (SCM), SLC-Flash oder einer anderen Art von Speicher bestehen. Je stärker der Cache ist, desto besser ist die Leistung. Storage Tiering kann die Leistung zusätzlich verbessern, aber auch hier kommt es darauf an, wie effektiv es implementiert wurde.
Die meisten SSDs verwenden auch Overprovisioning, um sicherzustellen, dass Schreibvorgänge sofortigen Zugriff auf vorgelöschte Blöcke haben, was zu einer Leistungssteigerung beiträgt. Beim Overprovisioning wird eine bestimmte Menge an Speicherplatz für den Overhead reserviert, der durch die Verwaltung des Speichers und die Optimierung von Schreibvorgängen entsteht.
Overprovisioning ermöglicht es, die P/E-Zyklen auf eine größere Anzahl von Memory-Blöcken zu verteilen. Die Menge des über-provisionierten Speichers variiert zwischen den SSDs. Im Allgemeinen steigt mit der Anzahl der Bits pro Zelle auch der Grad des Overprovisionings.
Auch die SSD-Schnittstelle wirkt sich auf die Leistung aus. NVMe ist eine schnellere Schnittstelle als SATA oder SAS. Darüber hinaus können die Architektur des gemeinsam genutzten Speichers und die Verbindung zwischen den Speichernetzwerken eine wichtige Rolle für die Leistung spielen. So kann beispielsweise die Verwendung von NVMe-oF über Ethernet-, Fibre Channel- oder InfiniBand-Netzwerke die Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Transportprotokollen erheblich verbessern.
Kompromisse bei Ausdauer und Zuverlässigkeit
Jedes zu einer NAND-Flash-Zelle hinzugefügte Bit verringert ihre Lebensdauer erheblich. Die Ausdauer wird als die Anzahl der Schreibvorgänge – P/E-Zyklen – gemessen, die die Zelle unterstützt, bevor sie sich abnutzt:
- SLC ist für etwa 100.000 P/E-Zyklen pro Zelle ausgelegt.
- MLC ist für ca. 10.000 P/E-Zyklen pro Zelle ausgelegt.
- TLC ist für ca. 3.000 P/E-Zyklen pro Zelle ausgelegt.
- QLC hat eine Nennleistung von etwa 1.000 P/E-Zyklen pro Zelle.
Die Anzahl der unterstützten P/E-Zyklen kann für jeden Zellentyp variieren, ebenso wie die Schätzungen, die aus verschiedenen Quellen stammen. Die hier angegebenen Werte stellen den allgemein akzeptierten Spitzenbereich der heutigen SSDs dar.
Eine weitere Überlegung betrifft die Ausdauer der SSD als Ganzes und nicht nur auf der Ebene der einzelnen Zellen. Zwei wichtige Faktoren wirken sich auf die Gesamtlebensdauer eines Laufwerks aus: die Fähigkeiten des Controllers und wie viel von der SSD für Overprovisioning genutzt wurde.
Der Controller einer SSD verwaltet alle Aspekte des Laufwerksbetriebs und dient im Wesentlichen als lokaler Prozessor. Der Controller erleichtert den Zugriff auf die NAND-Chips, verwaltet den Datenfluss und verfolgt die Adresszuordnung. Außerdem findet und korrigiert er Fehler und wendet Garbage-Collection- und Wear-Leveling-Algorithmen auf die Datenblöcke an.
Durch seine verschiedenen Operationen trägt der Controller zur Maximierung von Leistung und Ausdauer bei. Je effizienter er seine Operationen ausführt, desto besser ist die Leistung des Laufwerks und desto länger arbeitet es mit höchster Effizienz.
Die Ausdauer eines SSD wird oft in Terabytes Written (TBW) oder in einigen Fällen in Total Bytes Written angegeben. TBW bezieht sich auf die Gesamtdatenmenge in Terabyte, die auf eine SSD geschrieben werden kann, bevor die Zellen verschleißen. Eine andere Bewertung, die zur Angabe der Ausdauer verwendet wird, ist die Anzahl der Schreibvorgänge pro Tag (Drive Writes Per Day, DWPD), die die Gesamtdatenmenge angibt, die auf ein Laufwerk geschrieben werden kann, basierend auf dessen Kapazität und Garantiezeit.
DWPD steht in direktem Zusammenhang mit TBW. Nehmen wir an, Sie haben ein 3D-TLC-Flash-Laufwerk mit 1 TB Speicherkapazität. Das Laufwerk verfügt über eine fünfjährige Garantie und ist mit 0,66 DWPD bewertet. Folglich hat das Laufwerk eine ungefähre TBW-Bewertung von 1.200.
SLC, MLC, TLC und QLC: So wählen Sie das Richtige für Ihre Anforderungen
Bei der Wahl des richtigen Flash-Laufwerks kommt es in der Regel darauf an, Kapazität und Kosten gegen Leistung, Ausdauer und Fehleranfälligkeit abzuwägen.
QLC-Flash-SSDs haben in der Regel die niedrigsten Kosten pro Gigabyte, sind aber mit erheblichen Einschränkungen bei der Ausdauer verbunden. Die Leistung ist besser als bei Festplatten, aber geringer als bei vergleichbaren Laufwerken mit weniger Bits pro Zelle. QLC-Laufwerke eignen sich am besten für Daten, die sich nur wenig ändern, wie beispielsweise bei Backups, kalten Daten oder sogar warmen Daten, je nach Workload. QLC-Flash-SSDs ähneln in vielerlei Hinsicht den herkömmlichen Speichersystemen mit einmaligem Schreiben und vielen Lesevorgängen, wie zum Beispiel Bandsicherungen, bieten aber eine wesentlich bessere Leistung.
SLC-Flash ist oft die beste Wahl für unternehmenskritische Arbeitslasten, die höchste Leistung, Ausdauer und Zuverlässigkeit erfordern. Aus diesem Grund wird SLC-Flash häufig für militärische, luft- und raumfahrttechnische oder ähnliche Zwecke verwendet. Einige SSDs verwenden SLC-Flash auch für den Cache. Tatsächlich zeigt das SLC-basierte Daten-Caching den enormen Leistungsvorteil von SLC gegenüber TLC- oder QLC-Produkten.
Wenn ein Unternehmen ein begrenztes Budget hat, aber dennoch Speicher benötigt, der eine gute Leistung, Ausdauer und Zuverlässigkeit bietet, könnte MLC-Flash eine vernünftige Alternative zu SLC sein, je nach Arbeitslast und Art der Daten. Obwohl MLC-Basischips in der Regel für Verbraucherprodukte verwendet werden, haben Verbesserungen bei MLC für Unternehmen zu Laufwerken geführt, die eine höhere Zuverlässigkeit und Ausdauer bieten und somit besser für den Einsatz in Unternehmen oder in der Industrie geeignet sind.
Selbst der schnellste SLC- oder MLC-Speicher ist nicht unbedingt leistungsfähiger als TLC- oder QLC-Flash-Speicher, wenn die Administratoren nicht andere leistungsbezogene Faktoren berücksichtigen. So kann beispielsweise ein SLC-Laufwerk, das eine SAS- oder SATA-Schnittstelle und nicht NVMe verwendet, aufgrund der Einschränkungen der Schnittstelle nie sein volles Leistungspotenzial ausschöpfen. Auf der anderen Seite bringt NVMe seine eigenen Nachteile mit sich, wie zum Beispiel einen höheren CPU-Ressourcenverbrauch.
Die Entscheidung zwischen SLC, MLC, TLC oder QLC erfordert eine Abwägung der Vor- und Nachteile der einzelnen Typen. Im Folgenden finden Sie einige allgemeine Richtlinien, die Sie bei der Bewertung einer SSD auf der Grundlage der Anzahl der Bits pro Zelle berücksichtigen sollten:
- Wenn Leistung und Zuverlässigkeit an erster Stelle stehen – und die Kosten weniger eine Rolle spielen – ist SLC-Flash mit NVMe oder NVMe-oF die beste Wahl.
- Wenn die Leistung wichtig ist, aber auch die Kosten, kann MLC eine bessere Alternative als SLC sein. In einigen Fällen kann sogar TLC zum Einsatz kommen, je nach Arbeitslast und Datenanforderungen.
- Bei der Implementierung eines hochleistungsfähigen, gemeinsam genutzten Speichersystems sollte die Anzahl der Zellenbits zusammen mit anderen Überlegungen, wie zum Beispiel der Art des Netzwerks oder der Verbindung, berücksichtigt werden.
- Wenn die Kosten pro Gigabyte im Vordergrund stehen und Leistung und Schreibdauer weniger wichtig sind, ist entweder TLC oder QLC die beste Option. Die Wahl zwischen beiden hängt oft davon ab, wie schreibintensiv die Arbeitslast ist. QLC ist eine gute Option für reine Lese-Arbeitslasten, die eine angemessene Leistung erfordern.
Der aktuelle SSD-Markt
Unternehmen können aus einer Vielzahl von Flash-SSDs wählen. Kioxia beispielsweise bietet eine breite Palette von SLC-Flash-Speicherchips für Verbraucher- und Industrieanwendungen an, so zum Beispiel für Wearables, IoT-Geräte, Transport, Automatisierung oder das digitale Gesundheitswesen. Die Chips können 1 GB bis 256 GB an Daten speichern.
In manchen Fällen bevorzugen Unternehmen MLC-Chips gegenüber SLC-Chips, um Kosten zu sparen, und auch hier gibt es eine Vielzahl von Optionen. Micron bietet beispielsweise eine Reihe von MLC-Chips an, die zwischen 16 GB und 1 TB speichern können und sowohl im 2D- als auch im 3D-Format erhältlich sind. Mehrere Hersteller bieten komplette SSDs auf MLC-Basis an. KingSpec zum Beispiel verkauft ein Mini-SATA-Laufwerk – das Yansen YSM600E – das bis zu 1 TB Daten speichern kann.
Viele Hersteller bieten jetzt auch TLC-Flash-SSDs an. Micron hat zum Beispiel das 6500 Ion, ein 3D-TLC-Laufwerk mit über 200 Schichten. Das Unternehmen konkurriert mit seiner 6500 Ion mit QLC-Wettbewerbern und behauptet, preislich mit QLC gleichzuziehen, während es TLC-Leistung, Ausdauer und geringeren Stromverbrauch bietet. SK Hynix bringt eine TLC-Flash-SSD auf den Markt, die mehr als 200 Schichten aufweist.
Eine weitere aktuelle Entwicklung ist das Ergebnis eines Joint Ventures zwischen Kioxia und Western Digital. Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit ist ein QLC-Flash-Laufwerk mit 218 Schichten, das sowohl die TLC- als auch die QLC-Technologie nutzen kann. Mehrere Anbieter verkaufen jetzt QLC-Flash-SSDs. Solidigm bietet beispielsweise das D5-P5430 an, ein 3D-Flash-Laufwerk, das mehr als 15 TB an Daten speichern kann.
