SSD-Trends – 3D-Flash und RRAM

Die ersten SSDs stellte 1995 der israelische Hersteller M-Systems vor. Die Größe dieser Flash-Speicher reichte von 16 bis 896 MByte. Der Preis lag bei mehreren Tausend Dollar. Mittlerweile haben Fortschritte in der Herstellung und die Miniaturisierung der Bauteile die Kosten so weit gedrückt, dass 1 Gigabyte Speicherplatz auf einer SSD weniger als 1 Euro kostet.

Jetzt ist die Flash-Produktion jedoch an einem Scheideweg angelangt: Die einzelnen Chips sind mittlerweile soweit geschrumpft, dass die Vorgänge innerhalb der Speicherzellen an ihr physikalisches Limit stoßen.

Der Artikel zeigt, was derzeit am Markt passiert, wo die Grenzen bei Flash-Speicher liegen und wie die Zukunft aussehen könnte.

Im ersten Abschnitt lesen Sie, welche Unterschiede es heute bei Flash-Speicher gibt und wie sich Miniaturisierung und erhöhte Speicherdichte auswirken.

Flash-Speicher besteht aus Zellen. In den Zellen werden die Daten gespeichert. Derzeit gibt es drei verbreitete Zelltypen: Single Level Cell (SLC), Multi Level Cell (MLC) und Triple Level Cell (TLC). Die verwendete Zelltyp wirkt sich auf die Lebensdauer und die Geschwindigkeit aus.

Lebensdauer: Beim Beschreiben einer SSD wird in den Flash-Zellen eine elektrische Spannung gespeichert. Beim Löschen wird die Spannung wieder entfernt. Jeder Schreib-Lösch-Zyklus beschädigt die Isolierschicht der Zelle minimal. Die Folge: Nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen kann der Inhalt der Zelle nicht mehr gelöscht und nicht mehr beschrieben werden – die Zelle ist tot. Die in der Zelle gespeicherten Daten lassen sich aber oft noch auslesen.

Geschwindigkeit: In SLC-Zellen lässt sich 1 Bit speichern, MLC-Zellen nehmen bis zu 2 Bit auf und TLC-Zellen bieten Platz für 3 Bit. Die Bit lassen sichaber nicht alle gleichzeitig schreiben. Stattdessen werden mehrere Spannungen nacheinander angelegt und gespeichert. Das kostet Zeit.

Bei MLC-Zellen werden bis zu vier Spannungen gespeichert. Noch komplexer sind TLC-Zellen, die bis zu acht unterschiedliche Spannungen enthalten. SLC-Zellen lassen sich schneller beschreiben und auslesen, da nur eine Spannung anliegt.

Die Unterschiede der Spannungen innerhalb einer Zelle sind sehr gering. Deshalb ist es schwierig, diese Spannungen – und damit die Daten – korrekt zu schreiben und zu lesen.

Deswegen kommen komplexe Schaltungen und eine Fehlerkorrektur zum Einsatz. Sie garantieren, dass die Daten richtig ausgelesen werden. Das braucht ebenfalls Zeit und verringert die Geschwindigkeit (siehe Tabelle „Datendichte: Je höher, desto weniger Leistung“).

Der größte Vorteil der MLC- und TLC-Technik ist die hohe Datendichte. Pro Zelle können mehr Daten gespeichert werden als bei SLC. Dadurch lassen sich die Herstellungskosten für die SSDs zum Teil deutlich senken.

So kostet 1 GByte einer SSD mit SLC-Speicher rund 8 Euro. Bei SSDs mit MLC liegt der Preis pro GByte bei ungefähr 1 Euro und bei SSDs mit TLC-Flash sinkt der Preis nochmals deutlich auf rund 60 Cent pro GByte.

Wie erwähnt hat eine Flash-Zelle, die mehr als 1 Bit speichert, wegen der unterschiedlichen Spannungszustände eine kürzere Lebensdauer.

Auch die fortschreitende Miniaturisierung wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der Flash-Zellen aus. Denn durch die Verkleinerung der Strukturen wird die Isolierschicht, die die Spannung in der Zelle hält, dünner. Die Beschädigungen, die durch das Schreiben und Löschen der Zelle eintreten, fallen so deutlich mehr ins Gewicht.

Mittlerweile fertigen die Hersteller die Flash-Zellen in 20-Nanometer-Größe. Eine TLC-Zelle, die mit einem Fertigungsprozess von 50 nm hergestellt wurde, hält rund 2500 Schreib-Lösch-Zyklen aus. Wird hingegen ein Fertigungsprozess von 30 nm verwendet, dann halbiert sich die Lebensdauer auf 1250 Schreib-Lösch-Zyklen und sinkt bei 20 nm sogar auf 1000 ab.

Was dramatisch klingt, ist in Wirklichkeit aber gar nicht so schlimm. Im Abschnitt „So geht’s: Lebensdauer einer SSD berechnen“ können Sie sehen, dass selbst bei nur 1000 möglichen Schreib-Lösch-Zyklen eine SSD bei normaler Nutzung immer noch 13 Jahre hält.

Die Hersteller sind derzeit in einer Zwickmühle: Je mehr Bit sie pro Zelle speichern und je miniaturisierter sie produzieren, desto langsamer wird die SSD und desto kürzer ist ihre Lebensdauer. Sie haben aber Methoden ausgetüftelt, die diese Probleme umgehen sollen.

Aktuelle SSDs sind mit über 500 MByte/s beim Lesen und Schreiben fast so schnell wie die SATA-III-Schnittstelle. Theoretisch lassen sich mit heutiger Flash-Technik aber noch höhere Datenraten erreichen. Um den Flaschenhals SATA III zu umgehen, führt Samsung mit der neuen SSD 840 Evo den Rapid-Mode ein. Es handelt sich dabei um eine Caching-Lösung, die auf Software basiert. So reserviert bei eingeschaltetem Rapid-Mode ein spezieller Treiber im Hintergrund bis 1 GByte des Arbeitsspeichers –  ähnlich wie bei einer RAM-Disk. Die Zugriffe auf Dateien werden anschließend hier gecachet – und stehen bei einem erneuten Aufruf unmittelbar zur Verfügung.

Da der Treiber erst aktiviert wird, wenn Windows läuft, beschleunigt der Rapid Mode Windows noch nicht während des Boot-Vorgangs. Im Test erreichte das 250-GByte-Modell der 840 Evo von Samsung ohne Rapid Mode beim Lesen und Schreiben rund 500 MByte/s. Nachdem der Rapid Mode aktiviert war, stieg die Leistung beim Lesen auf 1 TByte/s und beim Schreiben sogar auf gut 1,1 TByte/s.

Bei der Basic-Variante der 840er-Serie setzt Samsung auf TLC-Speicher, die Pro-Variante arbeitet hingegen mit MLC-Speicher. Deshalb schreibt die Samsung 840 Pro Daten mit bis zu 390 MByte/s, während das gleiche Modell als Basic-Version nur 130 MByte/s schafft. Bei der Leserate sind die SSDs hingegen gleichauf.

Um der geringen Schreibrate der Basic-Modelle entgegenzuwirken, hat Samsung in die 840-Evo-Serie eine SLC-Cache genannte Technik implementiert: Auf der SSD wird ein bestimmter Teil der TLC-Zellen reserviert und ausschließlich mit 1 Bit und nicht wie eigentlich möglich mit 3 Bit beschrieben. Der Schreibvorgang wird dadurch deutlich beschleunigt.

Der Inhalt des SLC-Caches wird später in Leerlaufphasen auf die Zellen des nicht reservierten Bereichs übertragen.

Bei den SSDs mit 120 und 250 GByte Kapazität sind 3 GByte für den SLC-Cache reserviert, bei der Version mit 500 GByte sind es 6 GByte, bei der 750-GByte-SSD bereits 9 GByte und bei der SSD mit 1 TByte sogar 12 GByte. Die 250-GByte-Version der 840 Evo erreichte im Test dank SLC-Cache knapp 500 MByte/s beim Schreiben.

Da der reservierte Speicher begrenzt ist, kann es vorkommen, dass kein Platz mehr für neue Daten im SLC-Cache vorhanden ist. In diesem Fall werden die Daten wieder direkt in den normalen Speicherbereich geschrieben und die Transferraten sinken auf den Wert, der ohne Beschleunigung erreicht wurde.

Andere Hersteller, die nicht auf CacheTechniken zurückgreifen, um das von SATA III vorgegebene Limit in der Transferleistung zu umgehen, verpassen der SSD einfach eine schnellere Schnittstelle – etwa PCI Express statt SATA.

PCI Express gehört bereits in jedem modernen PC zum Standardinventar und bietet deutlich höhere Bandbreiten als SATA. Ein Beispiel: Über einen 16-fach-PCIe-3.0-Steckplatz lassen sich theoretisch knapp 16 GByte/s übertragen – das ist Bandbreite genug für heutige SSDs. SATA III schafft dagegen nur 600 MByte/s.

Ein Hersteller, der bereits seit Längerem SSDs mit PCI-Express-Anschluss anbietet, ist OCZ. Die Revodrive 3 schafft laut Herstellerangaben beim Lesen bis 1000 MByte/s und beim Schreiben immerhin 925 MByte/s.

Preislich gesehen liegt die SSD mit PCI-Express-Anschluss aber deutlich über der mit SATA-Schnittstelle. So kostet die Revodrive 3 mit 120 GByte Speicherplatz rund 250 Euro, also 2 Euro pro GByte. Bei einer normalen SSD mit 128 GByte liegt der Preis pro GByte momentan bei ungefähr 1 Euro.

Einen anderer Weg, den Engpass der SATA-III-Schnittstelle zu überwinden, ist der neue Festplattenanschluss SATA Express – auch SATAe genannt.

Bei diesem neuen Anschluss verschmilzt die SATA-Schnittstelle mit dem PCI-Express-Anschluss. SATAe soll inoffiziellen Quellen zufolge 2014 in Intels Chipsätze implementiert werden.

Die neuen SATA-Express-Anschlüsse sollen abwärtskompatibel zu den alten SATA-Anschlüssen sein. Alte SSDs,Festplatten oder optische Laufwerke lassen sich also wie gewohnt anschließen und nutzen.

Für SATAe entwickelte SSDs können über den neuen Anschluss die Daten mit der gleichen Geschwindigkeit übertragen wie derzeit erhältliche PCI-Express-SSDs.

Flash-Speicherzellen lassen sich mit den herkömmlichen Fertigungsprozessen nicht beliebig verkleinern. Um dieses Problem zu umgehen, werden von den Herstellern verschiedene Wege verfolgt. Der folgende Abschnitt zeigt zwei mögliche Methoden auf, wie die künftigen Speicherlösungen aussehen könnten.

FlashSpeicher wird derzeit in einer Schicht gefertigt. Die einzelnen Zellen auf dieser Schicht können bei TLC-Zellen bis zu 3 Bit aufnehmen. Ein Ansatz, um die Datendichte zu erhöhen, ist, die Zellen nicht mehr wie gewohnt nur in der Fläche anzuordnen, sondern auch in der Höhe. Dazu werden die Flash-Zellen künftig in mehreren Schichten übereinander angeordnet.

Intel nutzt seit Ivy Bridge bei seinen Prozessoren ebenfalls 3D-Strukturen. Hier werden Teile des Prozessors gestapelt. Dadurch lassen sich der Energieverbrauch und die Effizienz des Prozessors erhöhen.

Ähnlich sieht es bei Flash-Chips aus. Ein Vorreiter bei der Entwicklung ist Samsung. Eigenen Aussagen zufolge werden in den neuen 3D-Chips – Samsung nennt sie V-NAND – bis zu 24 Schichten übereinander gestapelt. V-NAND steht für vertical NAND und bedeutet so viel wie gestapelte Flash-Zellen.

Die Schichten sind nicht unabhängig voneinander, sondern elektronisch miteinander gekoppelt. Sie stehen alsoauch senkrecht miteinander iin VerbinVerbindung. Diese Technik steigert laut Samsung die Lebensdauer der Flash-Zellen um bis das 10-Fache und verdoppelt die Schreibrate.

Erste SSDs, die mit dem neuen V-NAND-Speicher ausgestattet sind, hat Samsung für Tests bereits an PC-Hersteller geliefert. Die SSDs mit 3D-Flash werden momentan mit einer Größe von 480 oder 960 GByte hergestellt. Über Preise und Verfügbarkeit ist noch nichts bekannt.

Andere Hersteller wie Toshiba oder Sandisk forschen ebenfalls in Richtung 3D-Flash, Details dazu erfuhren wir auf Nachfrage aber nicht.

Neben den Versuchen, den konventionellen Flash-Speicher weiterzuentwickeln, gibt es auch Ansätze, die sich komplett davon unterscheiden und Flash langfristig ablösen sollen. Einer dieser Ansätze ist Resistive RAM, kurz RRAM oder ReRAM.

Resistive RAM bedeutet so viel wie nicht flüchtiger Arbeitsspeicher, der die Inhalte auch ohne Stromversorgung vorhält.

RRAM wird unter anderem von der Firma Crossbar entwickelt und soll nach eigenen Angaben deutliche Vorteile gegenüber Flash-Speicher bieten. So benötigt RRAM gegenüber Flash rund 95 Prozent weniger Energie zum Speichern von Daten. Die Zellen von RRAM lassen sich im Gegensatz zu Flash-Speicher – wie bei einer Festplatte – sofort wieder überschreiben. Crossbar gibt an, dass die Schreibgeschwindigkeit 20-mal so hoch ist wie die von Flash.

Auch bei der Lebensdauer der Zellen verspricht der Hersteller Vorteile. So sollen die RRAM-Zellen bis zu 10-mal länger halten als aktuelle Flash-Zellen.

Wann die Technik marktreif sein wird, ist unklar. Ein konkreter Termin wurde noch nicht genannt.

Trotz der augenscheinlichen Vorteile gegenüber Flash bleibt abzuwarten, ob es die Technik auf den Markt schafft und sich langfristig durchsetzen kann.

SLC-Speicher ist zwar auf 1 Bit pro Zelle begrenzt, dafür halten die Zellen etwa 100.000 Schreib-Lösch-Zyklen und sind beim Schreiben und Lesen am schnellsten. MLC- und TLC-Speicher speichern mehr Bit pro Zelle, halten aber nicht so lange und sind langsamer.

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Wie lange eine SSD hält, können Sie ganz leicht selbst berechnen. Mit einer einfachen Formel und vier Variablen errechnen Sie die Lebensdauer Ihrer SSD.

Schreibzyklen: Tragen Sie hier die Zahl der Schreib-Lösch-Zyklen Ihrer SSD ein. Wenn Ihnen die exakten Werte nicht bekannt sind, dann verwenden Sie Näherungswerte. SLC erlaubt 100.000, MLC immerhin 3000 und TLC nur noch 1000 Schreib-Lösch-Zyklen.

Kapazität: Tragen Sie für diese Variable die Gesamtkapazität Ihrer SSD in Gigabyte ein.

SSD-Faktor: Der SSD-Faktor beschreibt das Verhältnis zwischen echter Datenmenge und der Menge an Daten, die auf die SSD geschrie ben wird. Bei aktuellen SSDs kann dieser Fak tor im ungünstigsten Fall 5 betragen.

GByte/Jahr: Geben Sie hier an, wie viel Gigabyte Daten Sie pro Jahr auf die SSD schreiben. Ein guter Richtwert sind 5 GByte/Tag, was 1825 GByte/Jahr entspricht.