V-NAND: Flash-Technologie der Zukunft

Das vielbeschworene Datenwachstum ist allgegenwärtig. Marktforscher wie Gartner und IDC erwarten, dass bis 2020 jährlich über 44 Zettabyte erzeugt werden. Bis dahin kommen sieben Smart-Produkte auf jeden Einwohner der Erde. 90 Prozent aller digitalen Daten wurden in den letzten zwei Jahren erzeugt.

Die steigende Mobilität der Anwender, Vernetzung sowie Datenerfassung und Datengenerierung in Echtzeit forcieren diesen Trend zusätzlich. Um technologisch Schritt zu halten, benötigen Unternehmen wie auch Privatanwender Speicher mit mehr Kapazität sowie schnelleren Lese- und Schreibgeschwindigkeiten. Zudem steigt die Anforderung an die Haltbarkeit und Lebensdauer. Gleichzeitig müssen die Speicher nicht nur erschwinglich sein, sondern auch Kosten einsparen.

Vor allem, wenn es um Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit geht, lautet die Lösung Flash-Speicher. Im Vergleich zu Festplatten sind diese deutlich schneller und werden mittlerweile durch sinkende Kosten auch preislich attraktiver. Speziell in Rechenzentren steigert die schnellere Geschwindigkeit gepaart mit den für Anwender schnelleren Antwortzeiten und sinkenden Energiekosten die TCO (Total Cost of Ownership).

Die V-NAND-Technologie ermöglicht eine hohe Speicherdichte und Schreibgeschwindigkeit (Grafik: Samsung)

V-NAND-Technologie: die Flash-Zukunft

Die bisher in Flash-Speichern und SSDs (Solid State Drives) eingesetzten, auf der planaren Technologie basierenden NAND-Speicherbausteine stoßen bereits an ihre Grenzen. Mit ihnen lässt sich kaum noch eine höhere Datendichte erreichen. Aktuell werden diese Art von NAND-Flashs mit einer Strukturbreite von 16 nm gefertigt. Durch die zunehmend kleinere Bauweise rücken die horizontal angeordneten Speicherzellen immer näher zusammen. Damit steigt die Gefahr, dass sich die Zellen gegenseitig beeinflussen und Daten verändert oder verloren gehen könnten.

Die V-NAND-Technologie ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen, flachen Zellstrukturen mehr Schreibzyklen über einen längeren Zeitraum (Bild: Samsung)

Um die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit eines Flash-Speichers zu gewährleisten und gleichzeitig weiter an Performance und Speicherkapazität zuzulegen, setzt Samsung auf die V-NAND-Technologie. Gegenüber der planaren, zweidimensionalen Bauweise sind die Speicherzellen bei V-NAND übereinander angeordnet und vertikal miteinander verbunden.

Die bisher aus einem leitenden Material bestehende Datenschicht wird in V-NAND-Flash durch ein Isolatormaterial ersetzt. Durch die vertikale Anordnung der Zellen ergibt sich eine physisch breitere Bitleitung, die direkt dazu beiträgt, Interferenzen zwischen den Zellen zu unterbinden. Eine höhere Kapazität wird einerseits durch die Erhöhung der Anzahl an Schichten anstelle der immer aufwändigeren Verkleinerung der Strukturbreite erreicht, andererseits durch die Erweiterung von zwei auf drei Bit pro Zelle. Die dreidimensionale Struktur der V-NAND-Technologie ermöglicht außerdem eine höhere Haltbarkeit, eine schnellere Programmierung sowie eine größere Sicherheit der Daten.

Vertikale Anordnung: kleiner mit höherer Datendichte

Durch die vertikale Anordnung der Speicherzellen kann eine höhere Datendichte bei gleichbleibender oder sogar kleiner werdender Grundfläche erzielt werden. Die Miniaturisierung spielt sowohl in immer kleineren mobilen Endgeräten eine wichtige Rolle, als auch in Rechenzentren. Auch hier gilt es auf gleicher bis weniger Stellfläche mehr Speicher unterzubringen. Durch das Stapeln der Zellen übereinander wird eine deutlich größere Speicherkapazität erreicht. Auf einem Zehntel einer gegebenen Fläche erreichen V-NAND-SSDs bis zu 100 Mal mehr Kapazität.

Mit 24-schichtigem V-NAND-Flash-Speichern hat Samsung die Technologie 2014 zur Serienreife gebracht. Momentan fertigt der Hersteller V-NAND-Flashs mit 32 Layern und erreicht damit 2 TByte pro SSDs (Samsung 850 PRO und EVO) sowie bis zu 512 GByte im M.2-Formfaktor (Samsung 950 PRO). Ab dem zweiten Quartal 2016 soll mit 48 Layern die Datendichte von 128 auf 256 Gbit erhöht werden. Hierdurch lassen sich 4 TB Speicherkapazität im 2,5-Zoll-Format mit 7 mm Bauhöhe auch für Client-Anwendungen realisieren.

Samsungs M.2-SSD 950 PRO arbeitet mit PCIe 3.0 und dem NVMe-Protokoll und erreicht lesend Datenraten von bis zu 2,5 GByte/s (Bild: Samsung).

NVMe-Protokoll steigert Leistung

Samsungs Topmodell ist derzeit die SSD 950 PRO. Diese basiert auf dem M.2-Formfaktor und ist die erste Serien-SSD, die das NVMe-Protokoll unterstützt. Im Vergleich zu AHCI, wie es bei SATA verwendet wird, kann NVMe mehrere Befehle gleichzeitig bearbeiten und erreicht damit bis zu fünfmal höhere Performance-Werte als SATA-SSDs. In der Praxis ergeben sich Übertragungsgeschwindigkeiten von 1,5 GByte/s beim Schreiben sequenzieller Daten bzw. 2,5 GByte/s beim Lesen. Workloads lassen sich mit bis zu 300.000 IOPS verarbeiten. Mit herkömmlichen SATA-III-SSDs mit AHCI-Protokoll sind dagegen nur eine Bruttodatenrate von maximal 600 MByte/s sowie 100.000 IOPS möglich.

Die SSD 950 PRO wird von PCs und Laptops der neuesten Generation unterstützt. Ausgelegt sind die SSDs für eine Schreibbelastung von bis zu 200 TByte TBW (Total Bytes Written) bei der 256-GByte-Variante bzw. 400 TBW bei dem 512-GByte-Modell; innerhalb der fünfjährigen Garantie. Damit eignen sich die Hochleistungs-SSDs vor allem für den Einsatz in High-End-PCs und Workstations mit hohen Anforderungen an die Storage-Performance. Die Dynamic-Thermal-Guard-Funktion sorgt für eine optimale Temperatur, so dass ein Betrieb auch in herausfordernden Umgebungen bei Temperaturen zwischen 0 und 70 Grad Celsius möglich ist. Die SSD widersteht Stößen von bis zu 1.500 G/0,5ms und Vibrationen von bis zu 20 G.

Übersicht der maximalen Geschwindigkeiten verschiedener Anschlussarten:

AnbindungSATA 3PCIe 2.0 x2PCIe 2.0 x4PCIe 3.0 x2PCIe 3.0 x4max. Geschwindigkeit6 Gbit/s10 Gbit/s20 Gbit/s16 Gbit/s32 Gbit/smax. Leserateca. 550 MByte/sca. 800 MByte/sca. 1.600 MByte/sca. 1.250 MByte/sca. 2.500 MByte/s