Zukunftsweisende Technologie eSSD

Written by Paul Rowan
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Im Fokus: Solid State Drives auf Basis von "NAND". (NAND-Technik bezieht sich auf die serielle Anordnung der einzelnen Speicherzellen.) Foto: Toshiba

Bei Servern und Storage-Systemen spielen Aspekte wie Geschwindigkeit, Antwort- und Latenzzeit eine immer größere Rolle, gerade im Hinblick auf zeitkritische Business-Transaktionen. Zunehmend ins Blickfeld rücken dabei NAND-basierte Solid State Drives (SSDs).

Im Consumer-Bereich haben SSDs bereits verstärkt Einzug gehalten. Sie finden sich aufgrund ihrer Geschwindigkeits- und Energieeffizienz-Vorteile zunehmend in Notebooks und PCs. Aufgrund der im Vergleich zu klassischen Festplatten noch relativ hohen Preise weichen manche Nutzer auf zusätzliche Festplatten aus. Hier werden dann größere Datenmengen wie zum Beispiel Fotos und Videos gespeichert. Für Enterprise-Applikationen sind die Consumer-SSDs allerdings weniger gut geeignet. Hier werden Laufwerke benötigt, die einerseits schnelle Zugriffszeiten und hohe Geschwindigkeiten beim Schreiben und Löschen bieten und andererseits auch für einen Dauerbetrieb und lange Lebensdauer ausgelegt sind. Im Hinblick auf diese Unternehmensanforderungen und zur Vermeidung von Engpässen bei den Zugriffsgeschwindigkeiten haben SSD-Hersteller spezielle Enterprise-SSDs (eSSDs) entwickelt.

eSSDs bringen Performance-Vorteile
Die Lese- und Schreibgeschwindigkeiten bei einer SSD hängen von mehreren Faktoren ab: unter anderem von der Architektur des Controllers, den Firmware-Algorithmen, den Fehlerkorrektur-Codes, die für die Sicherstellung der Datenintegrität genutzt werden, und den Lese-, Schreib- und Löschgeschwindigkeiten des NAND-Chips selbst.

Da auf NAND-Chips über mehrere Kanäle parallel zugegriffen werden kann, sind deutlich schnellere Datentransaktionen als bei HDDs möglich. Darüber hinaus sind Features wie Log-Structured-Algorithmen, Over-Provisioning und Unmap/TRIM-Kommandos wesentliche Bausteine für die Optimierung der Random-Schreibperformance.

Im Hinblick auf die Geschwindigkeit moderner SSDs können die Schnittstellen einen limitierenden Faktor darstellen. Die SATA (Serial Advanced Technology Attachment)-Schnittstelle wird heute am häufigsten in Consumer-PCs sowie Einstiegs- und Midrange-Servern genutzt – vor allem aufgrund ihrer geringeren Kosten und einfachen Implementierung. Allerdings bieten SATA-Verbindungen gegenwärtig eine maximale Geschwindigkeit von 6 Gbit/s. Im Unterschied dazu ermöglichen SAS (Serial Attached SCSI)-Schnittstellen eine volle Duplex-Punkt-zu-Punkt-Verbindung und Dual-Porting mit Geschwindigkeiten von bis zu 12 Gbit/s. Sie sind deshalb die Schnittstelle der Wahl für viele Enterprise-Server-Systeme. Zudem finden sich heute auch PCIe (Peripheral Component Interconnect express)-Schnittstellen in Consumer- und Enterprise-SSDs. Sie bieten zwar nur bis zu 8 Gbit/s pro Lane, unterstützen allerdings Multi-Lane-Verbindungen, die die Performance verbessern können. Verwendung finden PCIe-basierte Laufwerke heute in immer stärkerem Maße bei Cache-Applikationen.

NAND-Typen im Überblick
Die Kosten der NAND-Chips machen einen beträchtlichen Teil des Gesamtpreises von SSDs aus. Kostensenkungspotenzial bietet hauptsächlich die Erhöhung der Bit-Dichte der Chips, auf die sich viele Hersteller in den letzten Jahren fokussiert haben.
Seit der NAND-Einführung durch Toshiba 1984 haben sich vor allem im Fertigungsverfahren gravierende Veränderungen ergeben: vom 700-nm-Prozess auf Toshibas neue Technologie „Advanced 19 nm (A19nm)“. In Kombination mit neuen Speicherzellen-Technologien konnte damit die NAND-Bit-Dichte um mehr als das 2000-fache erhöht werden. Diese Steigerung hat zu einer deutlichen Senkung des Preises pro GB geführt. Künftige Technologien werden zu einer weiteren Preisreduzierung beitragen können. So hat beispielsweise Toshiba vor Kurzem ein neues Fertigungsverfahren für 15-nm-Flash-Speicher angekündigt.

Zur Erhöhung der Bit-Dichte wurden unterschiedliche SSD-Lösungen mit NAND-Flashspeicher entwickelt. Im Wesentlichen sind heute drei Typen zu unterscheiden: SLC (Single Level Cell)-, MLC (Multi Level Cell)- und TLC (Triple Level Cell)-Speicherzellen. Sie können jeweils ein, zwei beziehungsweise drei Bit pro Zelle speichern. Je höher die Anzahl der Bits pro Zelle ist, desto geringer sind die Kosten pro GB. Allerdings ist in Abhängigkeit von der Anzahl pro Zelle gespeicherter Bits die Zahl der Lösch- und Schreibprozesse begrenzt. Typischerweise liegt die Lebensdauer von Speicherzellen bei Single-Level-Cells bei 100.000 Zyklen, bei Multi-Level-Cells bei 5.000 Zyklen und bei TLCs bei 1.000 Zyklen.

In Enterprise-SSDs, die für eine hohe Anzahl an Schreib-und Löschzyklen ausgelegt sein müssen, finden sich heute überwiegend SLC- und MLC-NANDs. MLC- und TLC-NANDs finden sich eher in Consumer-SSDs, bei denen neben der Lesegeschwindigkeit vor allem der Preis pro GB der wichtigste kaufentscheidende Faktor ist.

Zu beachten ist, dass NAND-Speicherblocks mit der Zeit verschleißen können (Wear-Out), das heißt, es gibt eine Be-grenzung der Anzahl von Schreibvorgängen pro Speicherzelle. Deshalb wird die Verwendung von so genannten „Wear-Leveling"-Algorithmen im NAND-Controller erforderlich, mit denen sicherge-stellt werden kann, dass alle Speicherzellen etwa gleich häufig beschrieben werden.

Zur Erhöhung von Performance und Lebensdauer einer SSD kann zudem Over-Provisioning genutzt werden, bei dem ein bestimmter Speicherbereich für das Datenmanagement verwendet wird und dem Benutzer damit nicht zur Verfügung steht. Der Over-Provisioning-Anteil kann bei 6 bis 150 Prozent liegen, abhängig vom Anwendungsbereich, für den das Laufwerk entwickelt wurde.

Enterprise-SSDs bieten hohe Sicherheit
Da moderne NAND-Chips immer kleinere Strukturabmessungen aufweisen, entsteht ein erhöhter Bedarf an Technologien zur Fehlererkennung und -korrektur, um die Datenintegrität sicherzustellen. Leistungsstarke Error Correction Code (ECC)-Technologien wie Reed-Soloman-Codes, BCH-Codes oder LDPC ermöglichen dabei heute einen optimalen Datendurchsatz, ohne dass die Datenintegrität gefährdet wird. Toshiba hat diesbezüglich die eigene Quadruple Swing-By Code (QSBC)-Technologie entwickelt, die einen hocheffizienten ECC-Schutz vor Lesefehlern bietet.

Unternehmenskritische Server und Storage-Lösungen müssen einen Dauerbetrieb ohne Ausfallzeit bieten. Im Falle eines Spannungsverlustes muss gewährleistet sein, dass keine Daten verlorengehen. Mit Enterprise-SSDs kann dies sichergestellt wer-den. Sie schützen alle Daten in den NAND-Speicherchips und die Daten, die während des Spannungsverlustes auf das Laufwerk geschrieben werden. Dies wird erreicht durch die Implementierung von On-Board-Superkondensatoren in der SSD, die automatisch die Energieversorgung für die Beendigung der Schreibprozesse sicherstellen.

Datenschutz und Datensicherheit spielen im heutigen Unternehmensalltag eine immer wichtigere Rolle. Im SSD-Bereich wird dabei vielfach auf Verschlüsselung gesetzt. So haben auch mehrere Enterprise-SSD-Hersteller Self-Encrypting Drives (SEDs) entwickelt, bei denen mit einer Advanced Encryption Standard (AES) Engine alle Laufwerksdaten verschlüsselt werden können. Alle auf den NAND-Speicher geschriebenen Benutzerdaten werden dabei mit einem Random-generierten Encryption Key verschlüsselt. Der Key, Passwörter und weitere Security-Parameter sind dabei sicher auf dem Laufwerk gespeichert.

Zusätzlichen Schutz bietet die so genannte „Cryptographic-Erase“-Technologie von Toshiba. Mit dieser Funktion kann sichergestellt werden, dass überhaupt keine Zugriffsmöglichkeit mehr auf Daten besteht. Realisiert wird das über den Encryption Key. Wenn der Schlüssel geändert oder gelöscht wird, können die vorhandenen Daten nicht mehr entschlüsselt und nicht mehr wiederhergestellt werden.

Insgesamt wird der Einsatz von SSDs in Unternehmen gerade im Hinblick auf die Performance immer attraktiver. Hohe Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit bieten dabei vor allem SSDs der Enterprise-Klasse.