LSI SandForce SF3700 erreicht bis zu 1,8 GB/s

Mehr als drei Jahre nach dem Debüt SF-2000-Familie hat LSI die dritte Generation der SandForce-SSD-Controller vorgestellt. Die vier das komplette Produktspektrum vom Einsteiger-Segment bis zum Unternehmensmarkt abdeckenden Controller-Varianten unterstützten erstmals sowohl SATA 6 Gb/s als auch PCI Express nativ.

Die neue, weiterhin auf einen DRAM-Cache verzichtende Architektur der SF3700-Familie ist modular aufgebaut und soll so eine schnelle Migration zu neuen Host-Interfaces und Flash-Typen ermöglichen. Die vier heute vorgestellten Modelle unterstützen neben SATA 6 Gb/s auch PCIe Gen2 mit zwei und vier Lanes, wobei der ×4-Ausbau den Enthusiasten- und Enterprise-Varianten vorbehalten ist. Da die Controller auch für den Einsatz in mobilen Systemen vorgesehen sind, werden auch die Stromspar-Modi DevSleep (SATA) und L1.2 (PCIe) unterstützt. Um eine möglichst breite Produktunterstützung zu gewährleisten, unterstützt das PCIe-Interface der Controller sowohl das AHCI- als auch das speziell für PCIe-SSDs entwickelte NVMe-Protokoll (NVM Express).

Zu was für Leistungen die neuen Controller fähig sind, wird LSI auf dem hauseigenen Acceleration Innovation Summit (AIS) in San Jose demonstrieren. Eine dort zu sehende Client-SSD mit 19-nm-Speicherchips der zweiten Generation von Toshiba (A19nm) soll sequenzielle Leseraten von über 1,8 Gigabyte pro Sekunde erreichen. Zu beachten ist bei den von LSI veröffentlichten Angaben zur Leistung, dass es sich um Werte für eine Worst-Case-Szenario handelt, d. h. diese Werte werden mit nicht komprimierbaren Daten erreicht und sollten dementsprechend – zumindest soweit es das Interface zulässt – noch höher ausfallen, wenn der Controller die Daten komprimieren kann. Im SATA-Bereich bewegt sich LSI damit endlich auch bei nicht komprimierbaren Daten auf dem Niveau der Konkurrenz.

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Die SF3700-Controller basieren zwar auf einer neuen Architektur, die bereits von den ersten beiden Generationen Technologien finden sich in verbesserter Form allerdings auch in ihnen wieder. Die verbesserte DuraWrite-Technologie soll eine effektivere Echtzeit-Datenkompression bieten, so dass bei komprimierbaren Daten noch weniger Daten ins NAND geschrieben werden müssen, was die Leistung erhöht und die Lebensdauer der Speicherchips verlängert.

Eine Neuheit, die mit der RAISE-Technologie (Redundant Array of Independent Silicon Elements) zusammenhängt, ist das Flash-Interface mit 9 Kanälen, also einem mehr als aktuell üblich. Intels eigener Controller aus der X25-M verfügte zwar seinerzeit sogar über zehn Kanäle, alle momentan erhältlichen Controller inklusive der Modelle von LSI beschränken sich jedoch auf acht. Mit dem zusätzlichen Kanal sollen neue Kapazitätsoptionen eröffnet werden. RAISE ähnelt einem RAID-Verbund, wird jedoch mit den Speicherbausteinen eines Laufwerks realisiert und soll vor dem Verlust von Daten durch Flash-Defekte schützen.

Da für RAISE aber ein komplettes Flash-Die benötigt wird, steht dem Nutzer effektiv weniger Speicherplatz zur Verfügung, was sich auch bei den verfügbaren Kapazitäten bei SandForce-SSDs bemerkbar macht. In der Regel haben diese Größen von 60 GB, 120 GB, 240 GB usw. Es gibt aber, etwa von Adata, auch Modelle mit mehr Speicherplatz, z. B. 128 GB oder 256 GB. Bei diesen Modellen werden lediglich die 7 % Speicherplatz aus der Umrechnung von Binär- auf Dezimalkapazitäten als Overprovisioning genutzt, dafür muss jedoch auf RAISE verzichtet werden. Der 9. Speicherkanal soll nun künftig eine Möglichkeit bieten, um die gleichen Speicherkapazitäten wie mit anderen Controllern anzubieten, ohne auf RAISE verzichten zu müssen. Dazu wird dann schlicht ein zusätzliches Flash-Package verbaut, das am 9. Kanal hängt. Auf einer 512-GB-SSD mit SF3700-Controller und aktiviertem RAISE wären folglich 576 GiB (512 + 512/8) Flash-Speicher verbaut.

Das überarbeitete RAISE bietet aber noch einige weitere Optionen und ein neues, zweites Level, das auch gegen nicht korrigierbare Fehler in mehreren Pages oder Blöcken und sogar den Verlust eines kompletten Dies wappnen soll. Um das zweite Level zu aktivieren, wird allerdings die Kapazität eines zweiten Dies belegt, es wird folglich eher bei größeren Speicherkapazitäten eingesetzt werden. Fällt dann wirklich einmal ein komplettes Die aus, stehen über die Auto-Reallocation zwei mögliche Optionen zur Wahl. Soll die SSD weiter mit Level 2 betrieben werden, wird automatisch ein neues Die zugewiesen, wodurch sich jedoch das Overprovisioning reduziert. Alternativ kann die SSD aber auch in einer Level-1-Konfiguration weiter betrieben werden, wozu dann kein zusätzliches Die notwendig ist. Im Hinblick auf SSDs mit geringer Kapazitiät, bei denen ein Die einen relativ großen Anteil des Speicherplatzes ausmacht, unterstützen die neuen Controller zudem auch ein sogenanntes Fractional RAISE, das mit weniger als einem ganzen Die auskommt und einen gewissen Schutz gegen Datenverlust bietet.

Noch besser ist es natürlich, wenn es gar nicht erst zum Datenverlust kommt. Auch in dieser Hinsicht bietet die SF3700-Familie Verbesserungen, die speziell im Hinblick auf die mit kleineren Fertigungsstrukturen zunehmenden Fehler beim Lesen und Schreiben und die damit einher gehenden höheren Anforderungen an die Fehlerkorrektur von großer Bedeutung sind. Hinter „Shield“ verbirgt sich eine LDPC-Implementierung zur Fehlerkorrektur in Flash-Speicher. LDPC-Codes sind vor allem von der Fehlerkorrektur bei der Datenübertragung bekannt, etwa bei den jüngeren WLAN-Standards, sollen nun aber auch den steigenden Anforderungen an die Fehlerkorrektur in SSDs Rechnung tragen, nachdem LSI sie bereits seit 2010 erfolgreich in HDD-Controllern nutzt. Shield beherrscht dabei verschieden starke Fehlerkorrekturverfahren, die unterschiedlich viel Speicherplatz und Zeit benötigen, dafür aber auch die sich im Laufe der Lebensdauer des Speichers häufenden Fehler ausgleichen können.

Der im Laufe der Lebensdauer zunehmenden Fehlerhäufigkeit trägt auch das Adaptive ECC bei, das auf Block-Basis dynamisch festlegen kann, welcher Teil einer Page für den Error-Correcting Code (ECC) genutzt wird. Zu Beginn der Lebensdauer ist dieser Anteil kleiner als der normalerweise übliche, fixe Wert, der freie Speicher wird dementsprechend dem Overprovisioning zugeschlagen und trägt zu einer höheren und konstanteren Leistung bei. Gegen Ende der Lebensdauer der Speicherzellen, d. h. mit zunehmender Abnutzung, wird dann die Zuverlässigkeit gesteigert, indem zunehmend mehr Platz aus dem Overprovisioning für ECC reserviert wird. An dem für den Nutzer sichtbaren Speicherplatz ändert sich hingegen nichts.

Neben der schnellen PCIe-Lösung zeigt LSI auf dem AIS und der Supercomputing 2013 auch noch andere Referenzdesigns mit Speicherchips von Micron, SanDisk und Toshiba sowie SATA- und PCIe-SSDs von Adata, Avant und Kingston. Früher oder später dürfte es aber auch von Intel SSDs auf Basis der neuen SandForce-Controller geben. Rob Crooke, General Manager der Non-Volatile Memory Solutions Group bei Intel, wird zumindest schon in LSIs Pressemitteilung zitiert.

Muster der SF3700-Controller wurden bereits an ausgesuchte OEMs geliefert, bis zur Markteinführung der ersten SSDs werden aber noch ein paar Monate ins Land ziehen. Für Spannung auf dem SSD-Markt dürfte in nächsten Jahr aber gesorgt sein. Die Auslieferung großer Stückzahlen erwartet LSI für das erste Halbjahr 2014.