Flash-Speicher: Verbesserungen der wichtigsten Leistungsmerkmale im Laufe der Jahrzehnte

Wichtige Meilensteine in der Entwicklung von Flash-Speichern – sequentielle Lesegeschwindigkeiten

In der Vergangenheit blieb die Schreibleistung hinter den Lesegeschwindigkeiten zurück. Dies ist auf die inhärenten Block- und Seitenprogrammierungsprozesse in NAND-Flash zurückzuführen.

Frühe Flash-Geräte hatten sequenzielle Schreibgeschwindigkeiten von nur 5 bis 10 MB/s. Mitte der 2000er Jahre erreichten SSDs Schreibgeschwindigkeiten von etwa 150 bis 300 MB/s. Diese Verbesserung war auf die Weiterentwicklung der entsprechenden Technologien und bessere Fehlerkorrektur- und Caching-Methoden zurückzuführen. Bis 2010 erreichten moderne SATA-SSDs Schreibgeschwindigkeiten von etwa 450 MB/s. Um 2016 herum demonstrierten NVMe-SSDs Schreibgeschwindigkeiten von über 3 GB/s.

Wichtige Meilensteine in der Entwicklung von Flash-Speichern – sequentielle Schreibgeschwindigkeiten

Die Latenz ist die Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem ein Befehl ausgegeben wird, und dem Zeitpunkt, zu dem die Datenübertragung tatsächlich beginnt. Dies war ein kritischer Bereich, in dem Verbesserungen beim Flash-Speicher erforderlich waren. 

In frühen Flash-Speichergeräten war die Latenz recht hoch – oft etwa ein bis zwei Millisekunden. Als SSDs zum Mainstream wurden, war die Latenz auf 0,5 Millisekunden gesunken. Dies war etwa Mitte der 2000er Jahre. Später hatten SATA-SSDs eine Latenz von etwa 0,1 Millisekunden, und bis 2016 konnten NVMe-SSDs die Latenz drastisch auf 20 Mikrosekunden reduzieren. 

Diese Verringerung der Latenz war ein wichtiger Faktor dafür, dass Flash-Speicher zur zuerst Wahl für Echtzeit-Computing-Anwendungen wurde.

Wichtige Meilensteine in der Entwicklung von Flash-Speichern – Latenz 

Lebensdauer und Zuverlässigkeit

Bei Flash-Speichern bezieht sich die Lebensdauer auf die Anzahl der Programmier-/Löschzyklen (P/E), die eine Speicherzelle zuverlässig durchlaufen kann, bevor sie sich abzunutzen beginnt. Jedes Mal, wenn eine Zelle neu programmiert oder gelöscht wird, werden Elektronen in das Floating Gate injiziert oder aus diesem entfernt. Dieser Vorgang belastet das isolierende Oxid im Laufe der Zeit. Diese Belastung führt zu Verschleiß, der Fehler und letztendlich zum Ausfall der Zelle verursachen kann.

Die Zuverlässigkeit umfasst die Lebensdauer, bezieht sich aber auch auf die allgemeine Fähigkeit eines Flash-Speichergeräts, die Datenintegrität über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Dazu gehören eine stabile Datenspeicherung, d. h. die Fähigkeit, Daten ohne Stromversorgung zu speichern, niedrige Fehlerraten bei Lese- und Schreibvorgängen sowie Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen und Strahlung.

In den Anfängen bot Single-Level-Cell-Flash (SLC) 100.000 bis 1.000.000 P/E-Zyklen. Als die Hersteller jedoch mit der Multi-Level-Cell-Technologie (MLC) höhere Dichten anstrebten, wurden Flash-Medien mit 2 oder mehr Bits pro Zelle zur Norm. Dies hatte jedoch einen Nachteil, da MLC-Flash nur eine Lebensdauer von etwa 5.000 bis 10.000 Zyklen bot. Später erhöhten Triple-Level-Cell- (TLC) und Quad-Level-Cell- (QLC) Technologien die Kapazität, reduzierten jedoch die Lebensdauer auf etwa 1.000 Zyklen (für TLC).

Um diesen Einschränkungen entgegenzuwirken, haben Hersteller Techniken wie Wear-Leveling-Algorithmen entwickelt, die dafür sorgen, dass Schreib- und Löschzyklen gleichmäßig auf alle Zellen verteilt werden. Fehlerkorrekturcodes (ECCs) werden verwendet, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren, wenn Zellen anfangen, sich zu verschlechtern. Darüber hinaus kann das Bad-Block-Management fehlerhafte Zellen in freie Bereiche verlagern. Auch beim Zellendesign wurden Verbesserungen vorgenommen. All diese Faktoren haben die typische Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Flash-Speichern verbessert.

Wichtige Meilensteine in der Entwicklung von Flash-Speichern – Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Wie geht es weiter mit der Flash-Technologie?

Flash-Speicher stehen im Zuge ihrer Weiterentwicklung weiterhin vor spannenden Chancen und Herausforderungen. Die aktuellen Technologien nähern sich den physikalischen Grenzen der Zellgröße, die bei etwa 15–16 Nanometern liegt. Daher muss eine weitere Erhöhung der Dichte durch Innovationen im Multi-Level-Cell-Design und vertikalen Stapelung erreicht werden. 

Die Hersteller forschen bereits an Chips mit 160 und mehr Schichten. Da die Zellengrößen jedoch immer kleiner werden und die MLC-Technologie die Speicherung von immer mehr Bits in jeder Zelle ermöglicht, werden die kürzere Lebensdauer und die erhöhten Fehlerraten immer deutlicher.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden ECC-Methoden und Wear Levelling kontinuierlich weiterentwickelt. Darüber hinaus werden Techniken wie On-Chip-Thermal-Annealing und Self-Healing erforscht.

Flash-Speicher haben sich nicht nur in Bezug auf Kapazität und Kosten verändert (siehe unseren Leitfaden zur Entwicklung des Flash-Speichers – Speicher, Speicherdichte und Kosten), sondern auch in Bezug auf Geschwindigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit. Die Entwicklung von Flash-Speichern von langsamen frühen NAND-Speichern zu ultraschnellen NVMe-SSDs ist beeindruckend. Heute bieten Flash-Speicher hohe Geschwindigkeit, geringe Latenz und lang anhaltende Leistung. Sie werden in allen Bereichen eingesetzt, von Smartphones bis hin zu Hochleistungscomputern.

Für diejenigen, die sich für Speichertechnologien jenseits von Flash interessieren, bleiben Festplatten aufgrund ihrer kostengünstigen Lösungen mit hoher Kapazität eine wichtige Option. Um zu erfahren, wie sich Festplatten in den letzten sieben Jahrzehnten verbessert haben, lesen Sie unsere Leitfäden zur Entwicklung von Festplatten und zu den wichtigsten Spezifikationen, die vor dem Kauf einer Festplatte zu berücksichtigen sind.