Was ist Flash Speicher?

Flash-Speicherlösungen reichen von USB-Laufwerken bis hin zu Arrays auf Unternehmensebene und dürfen nicht mit Arbeitsspeicher (Random Access Memory, RAM) oder Kurzzeitspeicher verwechselt werden. Im Vergleich zu Festplattenlaufwerken mit beweglichen Komponenten können USB-Flash-Laufwerke sehr schnelle Reaktionszeiten erreichen (z. B. Mikrosekunden-Latenz). Sie verwenden nichtflüchtigen Speicher (nonvolatile memory, NVM), was bedeutet, dass keine Daten verloren gehen, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet wird.

Flash-Speicher verwenden auch hochverfügbare Solid-State Drives (SSDs) und benötigen weniger Energie und physikalischen Speicher als mechanische Festplattenspeicher.

Flash-Speicher ist heute eine wichtige Komponente in Speichergeräten (USB-Flash-Laufwerke, SD-Karten), Smartphones, Mobilgeräten und Digitalkameras. 

Flash-Speicher wurde entwickelt, um die wachsende Nachfrage nach nichtflüchtigen, kompakten und energieeffizienten Speicher zu decken, da elektronische Geräte immer kleiner und tragbarer wurden.

1986 stellte Toshiba den ersten NAND-Flash-Speicherchip vor, der für kompakten Speicher und schnelle Schreibgeschwindigkeit optimiert ist, um Speicheranwendungen (SSDs, Speicherkarten) zu unterstützen. 1993 veröffentlichte Intel NOR-Flash, der besser für Apps geeignet ist, die Echtzeitdaten erfordern, wie z. B. eingebettete Systeme (Startcode, Firmware).

Flash-Speicher boten eine nie da gewesene Leistung und haben die Welt des Datenspeichers schnell revolutioniert, wodurch eine Verbesserung gegenüber Spinning Disks und Speicherkarten erzielt werden konnte. Im Laufe der Zeit stieg die Datenverwendung und die Geräte wurden kleiner und leichter. Dadurch wurde Flash der schnellste Weg, um digitale Informationen zu speichern, zu schreiben, umzuprogrammieren und zu übertragen.

Im Jahr 2000 wurden USB-Flashlaufwerke (auch als „Thumb-Drive“ bezeichnet) zur Datenspeicherung und -übertragung entwickelt. Dieses portable Gerät war kompakt und hatte deutlich mehr Kapazität als frühere Speichersysteme. Im Jahr 2005 brachte Apple die ersten iPods auf Flash-Basis heraus und beschleunigte damit die Akzeptanz der Flash-Speichertechnologie bei den Verbrauchern.

In den späten 2000er Jahren begannen Flash-basierte Solid-State-Laufwerke (SSDs), Festplattenlaufwerke (HDDs) in Laptops und Rechenzentrumsumgebungen zu ersetzen, weil sie schnellere Startzeiten, einen geringeren Stromverbrauch und eine höhere Haltbarkeit boten.

Die Entwicklung der Mobilfunktechnologie hat zu erheblichen Fortschritten bei der Flash-Speicherkapazität geführt. Beginnend mit der Single-Level-Cell-Technologie (SLC), die 1 Bit pro Zelle speichert, ging die Branche zur Multilevel-Cell-Technologie (MLC) weiter, die 2 Bits pro Zelle speichert. Toshiba führte 2009 die Triple-Level-Cell-Technologie (TLC) ein und Samsung hat sie 2010 übernommen, wodurch 3 Bits an Informationen pro Zelle gespeichert werden können. Jede Generation erhöhte die Speicherdichte bei gleichzeitiger Abwägung von Leistungsüberlegungen.

Dieser Wandel beschleunigte sich in den 2010er Jahren mit der Einführung der 3D-NAND-Technologie, bei der Speicherzellen vertikal gestapelt werden, um die Speicher zu vergrößern und die Kosten pro Gigabyte zu senken.

Anfang 2011 hat die Veröffentlichung von NVMe (Nonvolatile Memory Express) als Flash-native Schnittstelle das Potenzial von Flash weiter ausgeschöpft und eine ultra-niedrige Latenz und eine hohe Durchsatzleistung über PCIe-Verbindungen (Peripheral Component Interconnect Express) ermöglicht.

Im Jahr 2018 führte Micron Quad-Level-Cell-Flash-Laufwerke (QLC) ein, die 4 Bit Daten pro Zelle verwenden und die Dichte gegenüber TLC um 33 % erhöhen. Im Vergleich zu TLC bieten QLCs eine bessere Kapazität und sind kostengünstiger. Allerdings sind sie langsamer in der Leistung und haben eine geringere Ausdauer. Sie eignen sich am besten für leseintensive Workloads wie Archivspeicher und Inhaltsbereitstellung sowie KI-Inferenz und nicht für schreibintensive Anwendungen wie Social-Media-Plattformen.

Für große Unternehmen ist Flash aufgrund seiner Geschwindigkeiten und Speicherdichte die Speichertechnologie der Wahl und hat Festplatten als primäres Speichermedium in Rechenzentren größtenteils abgelöst. Flash ist auch zur Grundlage der modernen IT-Infrastruktur geworden und unterstützt alles von Edge Computing bis zum Training von KI-Modellen.

Festplattenlaufwerke verwenden elektromechanische Hardware, um digitale Informationen zu speichern. Sie sind preiswert und ideal für die langfristige Speicherung und für große Dateien. Allerdings sind Festplattenlaufwerke im Laufe der Zeit anfällig für physische Schäden und haben aufgrund der sich bewegenden Komponenten Latenzprobleme.

Flash-Speicher übernimmt nun Funktionen, die zuvor Computerfestplatten vorbehalten waren. Wenn ein Computer beispielsweise hochfährt, durchläuft er eine BIOS-Sequenz (Basic Input/Output System). Die Firmware, die zuerst das BIOS enthielt, erforderte ROM-Chips (Read-Only Memory), aber moderne Systeme verwenden Flash-Speicher für das BIOS, so dass der Inhalt neu geschrieben werden kann, ohne Chips von der Systemplatine zu extrahieren.

Flash-Speicher-Medien können verwendet werden, um diesen Speichertyp zu optimierten, womit Anwendungen schneller ausgeführt und weiter skaliert werden können. Während HDDs weiterhin als kostengünstiger Archiv-Speicher dienen, erfordern Unternehmens-Workloads zunehmend die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit, die Flash-Technologien bieten können.

Primäre Speicherumgebungen nutzen heute in der Regel die Mikrosekunden-Latenz und hohe IOPS-Funktionen von Flash, während Software-definierter Speicher (SDS) virtualisierte Pools erstellt, die Daten über beide Medientypen hinweg intelligent verwalten. Diese technologische Konvergenz ermöglicht es Unternehmen, hybride Ansätze zu implementieren: Sie nutzen Flash für leistungskritische Workloads und übertragen gleichzeitig Daten, auf die weniger häufig zugegriffen wird, einschließlich SaaS-Backups, auf wirtschaftlichere herkömmliche Speichersysteme.

Flash-Speicher basieren auf einem Halbleiter, der aus Millionen winziger Floating-Gate-MOSFET-Transistoren besteht. Diese Transistoren sind in einem Gittermuster angeordnet, das Häuserblocks ähnelt, wobei jede Kreuzung einen speziellen Transistor enthält, der Informationen speichern kann.

Die grundlegende Speichereinheit im Flash-Speicher ist eine Flash-Speicherzelle. Jede Zelle enthält einen Floating-Gate-Transistor, der eine elektrische Ladung aufrechterhalten kann, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird.

Das Besondere an diesen Transistoren ist ihr einzigartiges Zwei-Gate-Design. Das Kontrolltor sitzt oben und steuert den Stromfluss, während das schwimmende Tor durch eine isolierende Oxidschicht isoliert bleibt. Wenn Daten in den Flash-Speicher geschrieben werden, wird eine Spannung an das SteuerGate angelegt, wodurch Elektronen gezwungen werden, in Tunneln durch die Isolierung zu zum Floating Gate zu wandern. Diese Elektronen auf dem Floating Gate verändern die elektrischen Eigenschaften des Transistors und stellen die Binärität 1 s und 0 s dar. Da das Floating Gate von einer Isolierung umgeben ist, bleiben diese Elektronen auf unbestimmte Zeit dort, sodass der Datenzugriff ohne konstanten Strombedarf aufrechterhalten werden kann.

Flash-Speicher lassen sich in Klassifizierungen mit niedriger, mittlerer und hoher Dichte einteilen, wobei Speicher mit höherer Dichte mehr Zellen auf demselben physischen Raum unterbringen. Dieser technologische Fortschritt hat die Entwicklung immer kompakterer Geräte mit beträchtlicher Speicherkapazität ermöglicht, von USB-Laufwerken über Smartphones bis hin zu Solid-State Drives, die Terabyte an Informationen speichern können.

Flash-Speichertechnologien können in verschiedenen Formen und Konfigurationen implementiert werden, die jeweils unterschiedliche Leistungsanforderungen und Anwendungsfälle erfüllen. Hier ist eine Übersicht über die wichtigsten Typen:

Im Folgenden finden Sie einige der wichtigsten Flash-Speicherschnittstellen und -protokolle:

• NVMe

• SAS- und SATA-Schnittstellen

• NVMe over Fabrics (NVMe-oF)

NVMe (Nonvolatile Memory Express) ist eine Schnittstelle, die den Zugriff auf den Flash-Speicher über einen PCIe-Bus (Peripheral Component Interconnect Express) ermöglicht. Mit NVMe können Tausende gleichzeitige Anfragen über eine einzige Verbindung erfolgen. Es vereinfacht die Interaktion zwischen Anwendungen und Speicher und steigert die Leistung erheblich. NVMe ist heute das vorherrschende Protokoll für Hochleistungs-Flash-Speicher und unverzichtbar für latenzempfindliche Anwendungen wie Echtzeitanalyse und KI-Workload.

SAS (Serial Attached SCSI) und SATA (Serial Advanced Technologie Attachment) sind zwei weit verbreitete Schnittstellen zum Verbinden von Speichergeräten mit Computersystemen. Obwohl sie ursprünglich für Festplattenlaufwerke entwickelt wurden, werden sie auch mit Flash-basierten SSDs verwendet. SATA findet man typischerweise in Verbrauchergeräten, während SAS aufgrund seiner höheren Zuverlässigkeit und seines Durchsatzes in Unternehmensspeicherumgebungen bevorzugt wird.

Obwohl neuere Protokolle wie NVMe sie allmählich ersetzen, sind SAS und SATA in vorhandenen Systemen und budgetbewussten Implementierungen weiterhin üblich. Sie tragen auch dazu bei, die Lebensdauer der bestehenden Infrastruktur zu verlängern, was sie in Umgebungen nützlich macht, die schrittweise aufgerüstet werden.

NVMe-over-Fabrics erweitert das NVMe-Protokoll auf Netzwerkstrukturen wie Ethernet, Fibre Channel oder InfiniBand. Diese Netzwerkstrukturen ermöglichen den Fernzugriff auf Flash-Speichergeräte mit nahezu der gleichen geringen Latenz und hohen Leistung wie direkt angeschlossene NVMe-Laufwerke. NVMe-oF ist ideal für hochskalierbare, verteilte Umgebungen wie moderne Rechenzentren und Cloud-Infrastrukturen, in denen der Speicher schnell, robust und gemeinsam nutzbar sein muss.

Flash-Speicher wird aufgrund seiner Geschwindigkeit, Haltbarkeit und Energieeffizienz in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt:

• Rechenzentren von Unternehmen: Große Unternehmen verlassen sich auf Flash-basierte Solid-State-Drives (SSDs) und All-Flash-Arrays, um geschäftskritische Workloads zu unterstützen, die Latenz zu reduzieren und eine hohe Verfügbarkeit in Rechenzentrumsumgebungen sicherzustellen. Flash-Speicher beschleunigt die Datenverarbeitung für Echtzeitanalysen, Cloud-Dienste und Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI). Der Flash-Speicher in Rechenzentren verbessert auch die Datenverwaltungsfunktionen, indem er ein schnelles Indizieren, Abrufen und Verarbeiten riesiger Datensätze ermöglicht, was die Datenbankleistung optimiert und die allgemeine Systemeffizienz verbessert.

• Mobilgeräte: Flash-Speicher sind für Smartphones, Tablets und Laptops unverzichtbar und bieten schnellen Zugriff auf Anwendungen, Systemdateien und Benutzerdaten. Die kompakte Bauweise des Flash-Speichers ermöglicht schlanke, leichte Designs ohne Leistungsverlust.

• Gaming und Grafik: Gamer profitieren von der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung von Flash-Speicher, die schnelle Ladezeiten und eine verbesserte Grafikverarbeitung ermöglicht. Flash-Speicher verbessert auch die Leistung von Spielekonsolen und Videobearbeitungstools.

• IoT-Geräte: Flash-Speicher wird aufgrund seiner Geschwindigkeit und seines niedrigen Stromverbrauchs häufig in Geräten des Internet der Dinge (IoT) verwendet. Von Smart-Home-Geräten bis hin zu industriellen IoT-Sensoren kann Flash-Speicher eine Echtzeitdaten-Erfassung, -verarbeitung und -übertragung gewährleisten.

• Edge Computing: Angesichts der steigenden Nachfrage nach Datenverarbeitung in der Nähe der Quelle spielt Flash-Speicher eine wichtige Rolle in Edge-Umgebungen. Es ermöglicht die schnelle Speicherung und Abfrage von Daten vor Ort, was für Anwendungen, die Entscheidungsfindung in Echtzeit erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.

• Cloud-Speicher: Flash-Speicher bildet die Grundlage moderner Cloud-Infrastrukturen und bietet Hochgeschwindigkeitszugriff auf riesige Datenmengen in verteilten Umgebungen. Seine Skalierbarkeit und Leistung sind die Haupttreiber für die zunehmende Nutzung von Cloud-Speicherung und anderen Diensten.

• Automobilindustrie: Flash-Speicher werden in Fahrzeugen zunehmend für Anwendungen wie Navigation, Unterhaltungssysteme und autonome Fahrtechnologien eingesetzt.

In Unternehmensumgebungen ist Flash-Speicher zu einer wichtigen Komponente von Datensicherheit geworden. Die Geschwindigkeit des Flash-Speichers trägt zur Verbesserung der Sicherungs- und Wiederherstellungsverfahren bei und reduziert die Wiederherstellungszeit bei der Reaktion auf Sicherheitsvorfälle oder Systemausfälle.

Viele Unternehmen nutzen mittlerweile Air-Gap-Backup-Ansätze mit entfernbaren Flash-Speichergeräten, indem sie entscheidende Backup-Daten physisch von Netzwerken trennen, um die Anfälligkeit für Ransomware und andere Cyberbedrohungen zu begrenzen. Diese physische Trennung bietet einen wirksamen Schutz gegen netzwerkbasierte Angriffe.

Die Leistung von Flash-Speichern unterstützt die Cyber-Resilienz durch praktische Anwendungen wie Data Replication, Snapshots und Verschlüsselung mit weniger Auswirkungen auf die Systemleistung als herkömmlicher Speicher. In regulierten Branchen kann Flash-Speicher bei der Einhaltung von Compliance-Verpflichtungen helfen, und zwar durch Funktionen wie WORM (Write Once Read Many) und Zugriffskontrollen, die zur allgemeinen Sicherheitsarchitektur beitragen.