Flash-Expressionismus

Flash Memory Summit 2012: PCIe-SSDs, neue Hybrid-Platten

Trends & News | News

Eigentlich könnte das jährliche Treffen der Flash-Speicherbranche auch „Solid-State Disk Summit“ heißen – denn die schnellen Massenspeicher spielten abermals die erste Geige. Anlässlich des 25-jährigen Jubiläums der Flash-Speichertechnik ging der Blick aber auch in die Zukunft: einerseits in Bezug auf die Speicherzellen, andererseits auf SSDs mit noch mehr Performance und auf neue Bauformen wie SATA Express.

Hersteller von Flash-Speicherchips und daraus aufgebauten Produkten sind mit ständigem Wandel vertraut. Die vergleichsweise junge Technik – erst 1987 wurden die ersten NAND- und NOR-Flash-Speicherchips präsentiert – entwickelt sich stürmisch. Bei SSDs ist der Umstieg von SATA beziehungsweise SAS auf PCI Express in vollem Gange – PCIe verspricht noch höhere Datentransferraten und noch kürzere Latenzzeiten. Flash-Speicher strebt aber nicht die Alleinherrschaft an, sondern zumindest im PC und Server die friedliche Koexistenz mit Magnetfestplatten. Letztere werden noch lange Zeit mehr Gigabyte pro Euro speichern. Doch viele Firmen haben Ideen, um Flash und Platte noch enger miteinander zu verzahnen: effizienteres SSD-Caching und neue Hybrid-Platten. Nur am Rande geht es auf dem Flash Memory Summit auch um Flash-Nachfolger wie MRAM, ReRAM oder Memristoren – derlei Zukunftsmusik wird eher bei Halbleiter-Hochämtern wie IEDM oder ISSCC gespielt. Bei der Flash-Veranstaltung im Silicon Valley geht es um praktische Lösungen für die nähere Zukunft. Der zum siebten Mal veranstaltete Branchentreff erhält immer mehr Zulauf – 3400 Besucher waren es in den drei Augusttagen 2012, 50 Prozent mehr als 2011.

In den Flash-Urzeiten ahnten nur wenige, dass daraus ein Milliarden-Dollar-Geschäft würde. Zu den Visionären zählte Dr. Eli Harari. Er erfand Ende der siebziger Jahre die Floating-Gate-EEPROM-Technik [1]. Mit der Idee, einen Datenträger aus Flash-Speicherchips zu bauen, der sich gegenüber dem PC wie eine herkömmliche Festplatte verhält, gründete er 1988 die Firma SunDisk – heute SanDisk. 1990 präsentierte SunDisk, was gemeinhin als Vorläufer der modernen Solid-State Disk zählt: ein 20 MByte fassendes 2,5"-Laufwerk zum Preis von 1100 US-Dollar. Schon damals prognostizierte Harari, dass künftige Flash-Disks viele Gigabyte fassen können, wobei jedes Gigabyte weniger als 1 US-Dollar kosten und damit für jedermann erschwinglich würde. Knapp 25 Jahre später gibt es jetzt 256-GByte-SSDs für weniger als 150 Euro.

Moderne Digitalkameras, Tablets, Smartphones und ultraleichte Notebooks wären ohne Flash-Speicher nicht denkbar. Hararis Erfindung trägt daran entscheidenden Anteil. Dafür wurde er im Vorfeld des Flash Memory Summit 2012 mit dem selten vergebenen Milestone-Preis des IEEE ausgezeichnet.

Flash goes PCIe

Die für Magnetplatten entwickelten Schnittstellen Serial ATA (SATA) und Serial Attached SCSI (SAS) bremsen Solid-State Disks aus. Für Server startet zwar gerade SAS 12G und Toshiba zeigte auch die SSD-Serie PX02SM mit 900 MByte/s und über 100 000 IOPS. Vor allem bei der Latenzzeit verspricht aber das für Flash optimierte Non-Volatile Memory Host Controller Interface (NVMHCI) deutliche Vorteile. Als physische Schnittstelle dient hierbei PCI Express; kurz spricht man auch von NVM Express beziehungsweise NVMe [2]. SATA 12G wird es deshalb gar nicht erst geben, stattdessen kommt SATA Express (SATAe).

In der aktuellen Version 3.0 überträgt PCI Express 1 GByte/s pro Lane und Richtung. PCIe 4.0 ist schon in Arbeit. Mehrere PCIe-Lanes lassen sich aber auch bündeln, weshalb man bei der Entwicklung besonders schneller SSDs nicht auf die nächste Generation warten muss. Das Potenzial von PCIe zeigt sich schon heute, Intels SSD 910 liefert beispielsweise 2 GByte/s bei sequenziellen Zugriffen sowie mehr als 200 000 IOPS beim Zugriff auf kleine, verteilte Datenblöcke. Auf dem Flash Memory Summit schaltete Intel vier solcher SSDs zu einem RAID 0 zusammen und führte 1 000 000 IOPS vor.

An Flash-Controllern mit direkter PCIe-Anbindung mangelt es noch. Auf Intels SSD 910 kommt deshalb beispielsweise eine PCIe-SAS-Bridge zum Einsatz. PCIe-SSDs brauchen hersteller- und betriebssystemspezifische Treiber, das Booten klappt nicht immer. NVMe verspricht Abhilfe, kommt aber erst allmählich in Fahrt. Linux spricht seit Kernel-Version 3.3 schon NVMHCI, für Windows gibt es bislang aber nur rudimentäre Open-Source-Treiber.

Auf dem Flash Memory Summit wurde zwar viel über NVMe diskutiert, neue Hardware gab es aber kaum zu sehen. OCZ zeigte schon wie auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas sein Z-Drive R5, das mit dem neuen Kilimanjaro-Controller von Marvell bis zu 3 GByte/s übertragen und bis zu 1,8 Millionen IOPS schaffen soll. Mit dieser SSD wird nach wie vor frühestens zum Jahresende gerechnet. Die Firma IDT hatte zwei neue NVMe-fähige SSD-Controller im Gepäck: einen 16-Kanal-Chip mit PCIe-3.0-x4-Schnittstelle (89HF16P04AG3) sowie einen 32-Kanal-Chip mit PCIe 3.0 x8 (89HF32P08AG3). Sie unterstützen jeweils SLC-, MLC- und eMLC-Speicherchips wahlweise mit ONFI- oder Toggle-DDR-Interface. Zur Performance der als Referenzdesign ausgestellten PCIe-SSD mit ONFI-NAND von Micron hielt sich das Unternehmen aber bedeckt.

SATA Express

PCI Express kommt auch als Standard-Schnittstelle für SSDs in Notebooks und PCs. Die Industrievereinigung SATA-IO erarbeitet gerade einen Standard für Speichergeräte, die Daten entweder Serial-ATA-kompatibel oder per PCI Express übertragen können: SATA Express. Ein wichtiger Aspekt sind Kombi-Buchsen und Kabel, die sowohl SATA- als auch PCIe-Signale mit den jeweils sehr hohen Datenraten verkraften – bei SATA 6G sind es 6 Gigatransfers pro Sekunde, bei PCIe 3.0 sogar 8 GT/s. Wegen der optimierten Kodierung schafft eine PCIe-3.0-Lane aber netto zwei Drittel mehr, nämlich 1 GByte/s statt 600 MByte/s unter idealen Bedingungen. Durch Bündeln von Lanes lässt sich die Übertragungsgeschwindigkeit einfach steigern; bei SATAe-Kombisteckern, in die alternativ auch normale SATA-Kabel passen, sollen es zunächst zwei PCIe-Lanes sein. Ein Problem gibt es noch bei der Übertragung der PCIe-Signale über billige Kabel – hier ist eine Lösung aber in Arbeit.

Fertige Stecker, Kabel oder SATAe-Massenspeicher gab es auf dem Flash Memory Summit aber nicht zu sehen. Erst 2013 soll der Standard fertig sein. Gezeigt wurden wieder nur Schemazeichnungen von Steckverbindern, die auf ein ziemliches Gefummel hindeuten. Ein sogenannter SATA-Express-Port wäre demnach auf dem Mainboard in etwa so lang wie drei hintereinandergereihte SATA-Ports. Für nähere Details – möglicherweise auch zur maximalen Länge von SATAe-Kabeln – verweist Intel auf das Intel Developer Forum (IDF) ab dem 11. September.

SATA Express setzt zwar auf NVMe, doch für eine Übergangsphase erwartet Intel, dass Software-AHCI zum Einsatz kommen wird. Bis sich native NVMe-Massenspeicher im PC oder Notebook durchsetzen werden, dürfte es – anders als im Server – noch eine Weile dauern. Software- und Hardware-Hersteller müssen zuerst NVMe-Treiber in Betriebssystem, Bootloader und UEFI-Firmware integrieren.

SATA-Express-Karten

SATA-Express-Massenspeicher sind sowohl in Form von 2,5"-Disks als auch als PCI-Express-Steckkarten denkbar. Intel ließ auf dem Flash Memory Summit Neuigkeiten zum Einsatz von SATAe-Karten in Notebooks – vor allem Ultrabooks – durchsickern. Unter der einfallslosen Bezeichnung Next Generation Form Factor (NGFF) erarbeitet man eine Spezifikation für SATAe-Karten, die mSATA-SSDs im Format von PCI Express Mini Cards ablösen und PCIe nutzen sollen. Mit höchstens 2,5 Millimetern Höhe passen sie besser in Ultrabooks als die 5 Millimeter dicken Vorgänger.

SATA-Express-Cards wird es in Längen mit 42, 60, 80 oder 110 Millimeter Länge geben (Typ 2242, 2260, 2280, 22110). Die kleinen Modultypen eignen sich für Caching-SSDs um die 32 GByte Kapazität. Auf die größeren passen so viele Speicherchips, dass sich vollwertige SSDs mit 512 GByte bauen lassen. Diese sollen dann besonders schnell angebunden sein – in SATA-Express-Slots des Typs 3 über bis zu vier PCIe-Lanes. In Typ-2-Slots stehen nur zwei PCIe-Lanes zur Verfügung, aber sie sind auch zu anderen SATA-Express-Erweiterungskarten kompatibel – Intel denkt an LTE-Adapter. Typ-1-Slots sind dagegen nur für WLAN-Adapter gedacht. Intel erwartet die ersten SATA-Express-Karten nächstes Jahr.

Auch die SCSI Trade Association (SCSITA) arbeitet an einem möglichen neuen Interface-Standard für PCIe-SSDs: SCSI Express (SCSI over PCI Express, SOP) schickt SCSI-Befehle über die PCIe-Schnittstelle, wobei der SCSI-Befehlssatz für das Zusammenspiel mit SSDs erweitert und optimiert wird.

Genau wie mit SAS zielt die SCSITA vor allem auf Server und Workstations, also den Enterprise-Einsatz. SCSI-Express-Laufwerke sollen künftig den vollen Funktionsumfang des SCSI-Protokolls unterstützen, etwa Security-Funktionen für verschlüsselte SSDs, und können als Initiator oder Target mit der jeweiligen Gegenseite in einer SAS-Domain kommunizieren. Stark vereinfacht ausgedrückt ist SCSI Express NVMe plus SCSI. Es nutzt den gleichen Physical Layer und unterstützt den NVMe-Queuing-Mechanismus, soll aber mit dem PCIe Queuing Interface (PQI) noch einen flexibleren Transport-Layer erhalten. Ein künftiger SCSI-Express-Standard soll dabei anders als NVMe nicht nur Flash-Massenspeicher, sondern auch Host- oder RAID-Adapter einschließen.

SCSI Express wird als offener Standard entwickelt. Zu den Unterstützern zählen unter anderem Hewlett-Packard und Fusion-io, Vorreiter bei PCIe-SSDs. Wann aus dem Projekt ein finaler Standard wird, ist allerdings noch nicht bekannt. Auf dem Flash Memory Summit präsentierte man nur ein SanDisk-FPGA, das ein SCSI-Express-Device emuliert. Bei der Entwicklung von SCSI Express sind offenbar auch noch ein paar knifflige Rätsel zu lösen. Bislang funktioniert etwa noch kein Hot-Plugging.

Über mögliche SCSI-Express-Kabel ist noch wenig bekannt. Dafür zeigte man uns am Stand eine HP-Backplane mit dem neuen Steckverbinder nach SFF-8639. Die sogenannte Express Bay erlaubt die Anbindung von Massenspeichern entweder über eine SATA-, zwei SAS- oder alternativ über bis zu vier PCIe-Lanes und kommt bereits in den jüngsten Xeon-Servern von Dell zum Einsatz. Jedes „Laufwerk“ darf bis zu 25 Watt schlucken. Angeblich lassen sich die auf der CeBIT vorgestellten 2,5"-SSDs P250h von Micron anschließen, die Daten per PCIe2.0x4 übertragen, aber weder NVMe noch SCSI Express sprechen.

Haltbarkeit

Viele Vorträge behandelten das Thema Flash-Lebensdauer (Endurance). Schrumpfende Halbleiterstrukturen und Multi-Bit-Zellen (Triple-Level Cell, TLC) reduzieren die Zahl der Lösch- und Schreibzyklen, die jede einzelne Zelle übersteht. Der Aufwand für das Wear Leveling, welches für gleichmäßige „Abnutzung“ der Abermilliarden Flash-Zellen sorgt, steigt folglich. Großfirmen haben sich in den letzten Monaten kleine Spezialisten einverleibt, die dieses Feld beackern, etwa mit optimierten Fehlerkorrekturalgorithmen – ein Stichwort sind etwa LPDC-Codes (Low-Density Parity Check). Die Firma DensBits – wie SanDisk in Israel ansässig – nennt ihre Controller gleich Memory Modems; hier hat sich Seagate eingekauft. Apple schluckte Ende 2011 die ebenfalls israelische Anobit, um an deren Technik für Memory Signal Processing zu kommen.

Laut Micron ist aber alles halb so schlimm, wie Skeptiker befürchten: Je mehr Flash-Zellen zur Verfügung stehen, desto robuster lässt sich eine SSD machen. Deshalb laufe auch die Zeit von Single-Level-Cell-(SLC-)Zellen für Enterprise-SSDs tendenziell ab: MLC-Flash, von dem es auch High-Endurance-Varianten gibt, stelle schlichtweg mehr Zellen zur Verfügung, die das Wear-Leveling für höhere Robustheit nutzen kann.

Im Enterprise-Bereich sind die Verdienstmargen deutlich höher als in den heiß umkämpften PCs und Notebooks, weshalb viele Anbieter mit Flash-Ideen auf Rechenzentren zielen. Andererseits ist die Kundschaft hier sehr konservativ und zahlt nur für erprobte Produkte. Doch Flash wird immer häufiger verwendet, denn die potenziellen Vorteile sind enorm. IBM hat sich kurz vor dem Flash Memory Summit den Enterprise-SSD-Pionier Texas Memory Systems einverleibt und adelt Flash auch durch den Einsatz in der neuen Mainframe-Generation zEC12 (siehe S. 28). Diskutiert wurden auch die Flash-Vorzüge in Cloud-Systemen oder für virtualisierte Umgebungen. Bei VMware vSphere 5 kann der ESXi-Hypervisor seinen Swap-Bereich auf einer SSD einrichten. Marvell kündigte seine Dragonfly-Adapter für Storage-Systeme an. Sie arbeiten hier als Caches, die NVRAM-Version soll mit 8 GByte DRAM-Puffer vor allem das Schreiben beschleunigen.

Hybrid-Speicher

In PCs und Notebooks, so die Meinung von Experten auf dem Flash Memory Summit, dürften immer häufiger Hybrid-Speicherlösungen stecken. Gemeint sind nicht einfach der Einbau von SSD und Festplatte „nebeneinander“, sondern Hybrid-Festplatten oder SSD-Caching. Verbesserungen sollen sie näher an reine SSDs heranbringen.

Seagate berichtete über eine Erweiterung des Serial-ATA-Protokolls. Per „Hybrid Information Protocol“ sollen Treiber und anderweitige Software in die Lage versetzt werden, gezielt Daten im Flash-Cache von Hybrid-Platten abzulegen. Auch Intel ist an dem Projekt beteiligt, was auf eine Erweiterung des Rapid-Storage-Technology-(RST-)Treibers hindeuten könnte. In diesem Monat soll die Spezifikation bereits ratifiziert werden.

Aktuelle Hybrid-Festplatten – bisher gibt es auf dem Markt ja bloß die Seagate Momentus XT – entscheiden noch autark durch Analyse der Zugriffsmuster, welche Daten gepuffert werden. Dabei können sie aber nur logische Blöcke „sehen“. Folglich packen sie schlichtweg jene Sektoren in den schnellen Pufferspeicher, die besonders häufig angefordert wurden. Das funktioniert unabhängig vom Betriebssystem und ohne spezielle Treiber. Der Nachteil: Bis die Platte merkt, dass es sich um puffernswerte Daten handelt, braucht es etwas Anlaufzeit. Ändert sich das Nutzerverhalten, dauert es wieder eine Weile, bis die richtigen Daten im Cache stehen. Ein Treiber mit Kenntnissen über Dateisystem und Dateitypen könnte per Hybrid Information Protocol den Cache vorausschauend füllen oder ihn als Schreibpuffer nutzen. Intel praktiziert das schon jetzt bei seiner Smart-Response-Technik, die an einigen LGA1155-Mainboards per Treiber eine SSD als Puffer einbinden kann.

Zukünftige Hybrid-Platten sollen auch viel größere Flash-Caches besitzen, die 16 bis 24 GByte fassen. Das verspricht nicht nur eine höhere Geschwindigkeit, sondern spart auch Strom, wenn die Laufwerke die Magnetscheiben seltener anlaufen lassen. Seagate nennt für ein künftiges Laufwerk mit 5400 U/min eine Leistungsaufnahme von 0,35 Watt, wenn es Zugriffe aus dem Flash-Cache bedient. Mit Hybrid-Platten sollen Computer künftig auch aus dem Cache booten oder aus dem Ruhezustand aufwachen. So könnten sie je nach Mainboard-Firmware in weniger als einer Sekunde betriebsbereit sein. Damit erfüllen sie auch die Microsoft-Vorgaben für PCs mit SSDs und Windows-8-Logo: Hier sind weniger als 2 Sekunden Weckzeit gefordert. Auch für Intels Rapid-Start-Technik wären sie geeignet, die Ultrabooks zu einem schnellen Start aus einem speziellen Suspend-to-Disk-Modus verhilft.

Zum Flash Memory Summit brachte Seagate kein neues Laufwerk mit. Die Bühne überließ man Toshiba. Die Japaner, die sich erstmals an einer Hybrid-Platte versuchen, wollen noch in diesem Jahr ein 1-TByte-Laufwerk für Notebooks ausliefern (2,5", 5400 U/min, 9,5 Millimeter). Damit würde die noch namenlose Platte mehr Daten fassen, aber langsamer rotieren als Seagates Momentus XT (750 GByte, 7200 U/min). Wie Seagate verbaut auch Toshiba vermutlich nur 8 GByte SLC-Flash als Puffer, aber „das könnte sich noch ändern“, wie ein Firmenvertreter meinte. Vermutlich denkt man auch da schon an Unterstützung für das Hybrid Information Protocol. Zeigen wollte man die Platte noch nicht. Es dauert also wohl noch etwas, bis das gute Stück marktreif ist. (boi)

Literatur
  1. [1] Benjamin Benz, SSD-Zerstörung, Solid-State Disks im Härtetest, c’t 3/12, S. 66
  2. [2] Benjamin Benz, Neue Wege, PCI Express soll SSDs aus der SATA-Klemme befreien, c’t 18/12, S. 112

Artikel kostenlos herunterladen

Infos zum Artikel

Kapitel
  1. Flash goes PCIe
  2. SATA Express
  3. SATA-Express-Karten
  4. Haltbarkeit
  5. Hybrid-Speicher
0Kommentare
Kommentieren
Kommentar verfassen
Anzeige

Anzeige

Artikel zum Thema
Anzeige