Hybrid-SSD: ReRAM soll Lebensdauer von NAND-Flash steigern

Seit Jahren forschen diverse Unternehmen am sogenannten ReRAM (Resistive Random Access Memory), der auf der Memristor-Technologie basiert. Während HP in der neuen Speichertechnologie bereits den Nachfolger von Flash-Speicher sieht, zeigen japanische Forscher nun eine Hybrid-SSD-Architektur, welche ReRAM und NAND-Flash vereint.

Mittels TSV-Stacking wird dabei zwischen NAND-Flash und SSD-Controller mit dazugehörigem DRAM-Cache eine Schicht (layer) ReRAM-Speicher eingefügt. Dies soll gegenüber herkömmlichen SSDs die Schreibleistung um das elffache steigern. Gleichzeitig soll der Energiebedarf um 93 Prozent sinken und die Lebensdauer der SSD fast sieben Mal so hoch ausfallen.

Diese stolzen Werte sollen dadurch erreicht werden, dass der zusätzliche ReRAM-Speicher genutzt wird, um eine Schwäche von NAND-Flash-Speicher zu umgehen: Laut dem Bericht betrage die kleinste Einheit beim Schreiben von Daten im NAND-Flash 16 Kilobyte (1 Page) und das Überschreiben von Daten auf der selben Page sei nicht möglich. Somit müssten beispielsweise bei einem zufälligen Zugriff, bei welchem lediglich 512 Byte (1 Sektor) überschrieben werden sollen, komplette 16 KByte zunächst in einem anderen Bereich des Speichers beschrieben werden, erst anschließend würden die ursprünglichen Daten gelöscht. Die mit diesen Vorgängen verbundenen Latenzen führten bei häufigen zufälligen Schreibzugriffen kleiner Datenblöcke entsprechend zu einer verringerten Leistung. Zudem erhöhe dies den Stromverbrauch und die Zahl der nötigen P/E-Zyklen.

Bei der vorgestellten Hybrid-SSD-Architektur springt nun der ReRAM als Zwischenspeicher ein. In ihn könnten zunächst kleine Daten in Sektor-Größe (512 Byte) geschrieben werden und erst wenn die Page-Größe (16 KByte) erreicht ist, würden die Daten in den NAND-Flash-Speicher geschrieben. Dies stelle einen von drei Algorithmen des Konzepts dar, dieser soll somit die benötigten zufälligen Zugriffe auf den NAND-Flash reduzieren. Durch die relativ geringe Größe des ReRAMs – es werden 8 Gigabit ReRAM in Verbindung mit 256 Gigabyte NAND-Flash genannt – komme es jedoch je nach Szenario auch dazu, dass kleine Datenblöcke manchmal direkt in den Flash-Speicher geschrieben werden. Insgesamt soll durch weitere Algorithmen die Fragmentierung der Daten im NAND-Flash vermieden und häufig genutzte Daten verstärkt im ReRAM geschrieben werden.

Die oben genannten Verbesserungen gegenüber herkömmlichen SSDs habe man anhand von Emulationen mit einem Prototypen im TSV-Stacking-Verfahren ermittelt, allerdings sollen bei Verzicht auf TSV-Verbindungen die Ergebnisse fast identisch ausfallen. Wie die obere Grafik zeigt, bietet TSV insbesondere bei der Leistungsaufnahme Vorteile. Während für das Testverfahren Daten von Servern aus dem Finanzsektor als Grundlage dienten, könnten die Algorithmen der Hybrid-SSD-Architektur auch entsprechend für andere Anwendungsszenarien angepasst werden.

Den herausragenden Vorteil dieser Technologie sieht Projektleiter Ken Takeuchi, Professor des Department of Electrical, Electronic and Communication Engineering der Chuo University, vor allem in der um fast das siebenfache erhöhten Lebensdauer von NAND-Flash, was insbesondere in der Industrie zu Einsparungen führen könnte, durch welche sich der zunächst noch teure Einsatz von ReRAM durchaus rechnen würde.

Einen Anhaltspunkt zum Termin für die Markteinführung dieser Hybrid-SSD-Technik wird in dem Nikkei-Electronics-Artikel jedoch nicht genannt. An der auf dem Memristor basierenden ReRAM-Technik arbeiten unter anderem die Unternehmen HP, Hynix, Elpida und Samsung. Daneben gibt es ähnliche Ansätze wie den „Double Floating-Gate Field Effect Transistor“ der North Carolina State University.