c't magazin für computer technik 24/2013 - since

Know-how I Massenspeichergriffe wieder bremsen, wenn neue Daten inBänder geschrieben werden, die schon teilweisebelegt sind. Dann müsste die Platte bereitsvorhandene, gültige Dateien zunächst ineinen Puffer lesen, um die neuen ergänzenund alles zusammen dann wieder schreiben.Diskutiert wird deshalb unter anderem übereine Trirn-Funktion wie bei SSDs, mit der dasBetriebssystem nicht mehr benötigte Blöckeals ungültig markiert und zum direkten Überschreibenfreigibt. Eine Garbage Collectionauf Laufwerksebene könnte außerdem übriggebliebene Datenhäppchen im Hintergrundumkopieren und versuchen, auf diese Artmöglichst viele freie Bänder zu erzeugen.Der Controller könnte gegebenenfallsdann auch schon vorher durch eine ArtWear-Leveling für bessere Performance Einflussdarauf nehmen, wie Daten über dieMagnetscheibe verteilt werden. Zwischenphysischen Sektoren auf der Magnetscheibeund den Sektoradressen bestünde dann abererstmals bei Festplatten kein eindeutigerBezug mehr. Ähnlich wie bei SSDs müsstedann ein Translation Layer den Bezug zwischenLogical Block Address (LBA) und denphysischen Sektoren herstellen. SMR-Piattenverhalten sich dann möglicherweise auchgenauso launisch wie manche SSDs: Je nachFüllstand, Fragmentierungsgrad, Hintergrundaktivitätund Workload können dieTransferraten schwanken, wenn es nichtgelingt - etwa durch Nutzung zusätzlichenReservespeichers (Overprovisioning) - dieseEffekte zu kaschieren.Ein anderer Ansatz, um Nachteile derSMR-Technik auszubügeln, sind speziell angepassteDateisysteme, die verteilte Schreibzugriffein sequenzielle umwandeln. WesternDigital testete dafür schon den Einsatz vonLinear Tape File System (LTFS) im Zusammenspielmit SMR-Piatten unter Linux. Eskommt bislang bei LTO-Bändern zum Einsatz,die seit einiger Zeit Daten ebenfalls"shingled" aufzeichnen. Mit L TFS ist es möglich,L TO-Bandspeicher zu partitionieren undanschließend wie Festplatten zu verwenden:Eine Partition enthält die Daten, die anderelediglich einen Index für den schnellen Zugriff.Ähnliches soll ShingledFS leisten, einvon der Carnegie-Mellon-Universität in Pittsburghentwickeltes Dateisystem. ln einer vonSeagate unterstützten Studie untersuchtendie Forscher damit den Einsatz von SMR­Piatten für Big-Data-Anwendungen unterApache Hadoop (siehe c't-Link).SMR-HeimatAus den Vorüberlegungen wird klar, dassSMR-Piatten als Drop-in-Replacement für bisherigePlatten nicht in jedem Falle geeignetsind. Während sie für einen Datenbankserver,in dem besonders häufig kleine Datenblöckegeschrieben werden, eher ungeeignet erscheinen,dürften sie hingegen etwa in Webservern,in denen hauptsächlich gelesenwird, mindestens genauso schnell wie herkömmlichePlatten sein. Schon jetzt zeichnetsich ab, dass ihr Haupteinsatzgebiet wohlCold-Storage-Anwendungen sein werden,wo zwar verteilt gelesen, aber hauptsächlichsequenziell geschrieben wird und Daten sichnachträglich selten ändern.Das von Facebook vorangetriebene OpenCompute Project (OCP) führt SMR-Piatten inseiner Cold-Storage-Spezifikation als besondersgeeignete Speichermedien für kosteneffizienteSpeichersysteme mit hoher Kapazität,warnt aber gleichzeitig davor, dass dieLaufwerke extrem empfindlich gegen Vibrationenseien (siehe c't-Link). Deshalb sollte inMulti-Platten-Systemen immer nur eine SMR­Piatte gleichzeitig aktiv sein.Seagate ließ kürzlich mit der Ankündigungaufmerken, bereits eine Million SMR­Piatten an Pilotkunden ausgeliefert zuhaben. Man munkelt, dass die Laufwerkenicht nur bei Facebook, sondern auch bei derSeagate-Tochter EVault, einem Cloud-Backup-Betreiber,bereits zum Einsatz kommen.Offenbar handelt es sich dabei um besondereVersionen von 3,5"-Laufwerken aus derBarracuda-Serie mit 7200 U/min, 3 GBit/sschneller SATA-Schnittstelle und 4 TByte.Seagate erwähnt außerdem den Einsatz vonGrößere SSDsÄhnlich wie bei Festplatten lässt sich auch beiFlash-Speichern die Datendichte nicht einfacherhöhen, ohne Nachteile in Kauf zu nehmen.Um die Fertigungskosten zu senkenund die SSD-Kapazitäten zu erhöhen, drehtendie Hersteller bislang vor allem an zweiStellschrauben: Immer feinere Halbleiterstrukturensparen Siliziumfläche, erlaubenalso mehr Kapazität auf gleicher Chipfläche.Ein weiterer Ansatz, um die Speicherdichte zusteigern sind Multi-Levei-Ceii-(MLC-)NAND­Speicherchips, die mehr Informationen proSpeicherzelle speichern. ln besonders günstigenSSDs stecken heute Triple-Levei-Ceii­(TLC-)Speicherchips, die drei statt bisher nurein oder zwei Bits pro Speicherzelle fassen,also acht verschiedene Zustände (23).Multi-Bit-Zellen und besonders feine Halbleiterstrukturenreduzieren jedoch die Anzahlder Schreibzyklen, die man einzelnen Speicherzellenzumuten kann. Nach heutigem Erkenntnisstandsind TLC-SSDs deshalb geradenoch haltbar genug, um sie im PC oder Notebookeinzusetzen, nicht aber für Serveranwendungen,in denen häufiger geschriebenwird. Einzelne TLC-Zellen vertragen schätzungsweisenur noch rund 1000 Schreibzyklen,bei dem früher bevorzugten Single­Levei-Ceii-(SLC-Fiash) waren es noch bis zu1 00-mal so viele. Bei den gängigeren MLC­Chips schrumpfe die Anzahl der Schreib-zyklen mit der Strukturbreite von anfangs10 000 auf 3000 bei aktuellen Flashes, die im19-nm-Prozess gefertigt werden. Dank WearLeveling lassen sich einzelne Sektoren zwarviel häufiger lesen und beschreiben, allerdingsmüssen die Hersteller zu diesemZweck bei TLC-SSDs auch einen besondersgroßen Teil des eingebauten Flash-Speichersreservieren, der zur Speicherung von Nutzdatenverloren geht. Das macht den Preisvorteilteilweise wieder zunichte. Mit zunehmenderAnzahl an Bits pro Zelle steigt außerdemder Programmieraufwand für den Controller,wodurch die Latenzen zunehmen.Mit Hilfe von 30-V-NAND wollen Herstellerwie Samsung zumindest zwei der aktuellenProbleme lösen: Durch lagenweises Übereinanderstapelnder MLC-Funktionsschichtenin einem Silizium-Die lassen sich höhereSpeicherkapazitäten als bei bisherigenFlashes erzielen. Und weil die einzelnenLagen der Multi-Levei-(-MLC-)Zellen dannwieder gröbere Strukturen als ihre Vorgängermit planaren Transistoren aufweisenkönnen, sollen einzelne Zellen wieder mehrSchreib-/Löschzyklen vertragen - dazu trägtangeblich auch der besondere Charge-Trap­Fiash-(CTF-)Aufbau bei. Den CTF-Zellen fehltdas bei Flash sonst übliche "Floating Gate",die Ladungsspeicherung erfolgt stattdessenin einer sogenannten Ladungsfalle, die in derisolierenden Siliziumnitrid-(SiN-)Ebene desChips liegt (siehe Video über c't-Link).Samsung will zunächst 24 Zelllagen zu einer3D-Matrix verbinden und dazu angeblichFlash der "30-nm-Kiasse" verwenden. Rekordwertebei der Packungsdichte erzielt der Herstelleraber noch nicht: Eine zum Jahresendeangekündigte 2,5"-SSD mit SATA-6G-Schnittstellesoll aus 64 Dice mit je 128 GBit(16 GByte) Kapazität bestehen, insgesamtalso 960 GByte fassen. So viel speichern auchandere aktuelle SSDs mit TLC-Fiash, allerdingsbei deutlich schlechterer Haltbarkeit.Mit 35 000 Schreibzyklen pro Zelle soll sichdie aus 30-V-NAND aufgebaute SV843 dagegenauch für den Einsatz im Server eignen.Eine weitere Erhöhung der Datendichte gelängein Zukunft durch eine höhere AnzahlZelllagen, durch Einsatz von Halbleitern mitfeineren Strukturen oder durch TLC-Fiash -zumindest bei den letzten beiden Optionendrohen dann aber wieder die gleichen Problemewie bei planarem NANO-Flash. Einegroße Zukunft wird daher Resistive RAM(RRAM) als Speichertechnik zugeschrieben.Es soll nicht nur haltbarer und schneller alsNANO-Flash sein, sondern könnte mit 1 Terabyteauf weniger als 200 QuadratmillimeternFläche auch extreme Kapazitäten ermöglichen.Der einzige Nachteil: Es ist noch langenicht marktreif (siehe c't-Link).174c't 2013, Heft 24