Everspin nvNITRO: Erste PCIe-NVMe-SSD mit MRAM vor Markteinführung

Everspin ist der größte kommerzielle Anbieter von MRAM-Chips. Jetzt folgt das erste eigene Produkt: Die PCIe-NVMe-SSD respektive MMIO-Beschleunigerkarte Everspin nvNITRO bietet sehr schnellen, haltbaren und nichtflüchtigen MRAM. Die Speicherkapazität ist allerdings gering.

Magnetoresistiver Random Access Memory (MRAM)

Schon seit vielen Jahren spielt MRAM in den Entwicklungsabteilungen von Speicherherstellern eine Rolle. Everspin ist aber der bislang einzige Hersteller, der MRAM-Produkte kommerziell vertreibt. Trotz des ähnlichen Namens unterscheidet sich MRAM in einem Punkt grundsätzlich von DRAM und SRAM: Die Daten werden nicht mit elektrischen, sondern mit magnetischen Ladungen gespeichert. Dabei werden Materialien verwendet, deren elektrischer Widerstand sich unter dem Einfluss von Magnetfeldern ändert. Der MRAM von Everspin gehört zur Unterkategorie Spin Transfer Torque MRAM (STT- oder ST-MRAM).

Das Produkt: Everspin nvNITRO

Während Everspin bisher ausschließlich MRAM-Chips separat für Produkte anderer Hersteller anbot, ist die Everspin nvNITRO eines der ersten eigenen Endprodukte. Dabei handelt es sich um eine PCIe-Erweiterungskarte im HHHL-Formfaktor, die PCIe 3.0 x8 als Schnittstelle nutzt. Mit Speicherkapazitäten von anfänglich 1 oder 2 GByte sollen die Beschleunigerkarten im zweiten Quartal in Produktion gehen. Die Bemusterung durch Kunden erfolge bereits.

Der Spin Torque MRAM (ST-MRAM) ist nicht direkt mit der Trägerplatine verlötet, sondern sitzt auf zwei SO-DIMMs und kommuniziert über das DDR3-Interface. Unterstützt werden zwei Zugriffsmodi: Die nvNITRO lässt sich als NVMe-SSD oder als Memory Mapped IO (MMIO) betreiben. Später soll die Produktlinie auch die Formate M.2 und U.2 (2,5 Zoll?) umfassen, hier seien Kapazitäten von 512 MByte (M.2) bis 8 GByte (U.2) für dieses Jahr geplant.

Systembeschleuniger mit winziger Latenz und enormer Haltbarkeit

Die Karte soll als „storage accelerator“ mit sehr kurzen Latenzen und hoher Leistung vorwiegend Storage-Systeme der Enterprise-Klasse beispielsweise als Schreibpuffer (Cache) beschleunigen. Denkbar sei der Einsatz bei Trading-Systemen im Finanzsektor.

Wie NAND-Flash ist MRAM nichtflüchtig (non-volatile) und hält Daten ohne Stromzufuhr vor. Bei der Leistung ist MRAM dem NAND-Flash deutlich überlegen: Everspin wirbt mit Latenzen von 6 Mikrosekunden (4KB), während sehr schnelle NAND-Flash-SSDs lediglich knapp 20 Mikrosekunden erreichen. Der flüchtige DRAM ist aber noch weitaus schneller als MRAM.

Ein weiterer Vorteil zeigt sich bei der Haltbarkeit der Speicherzellen, die weitaus mehr Änderungen (Schreiben) überdauern als NAND-Flash. Everspin spricht sogar von „unbegrenzt gleichmäßigen“ Drive Writes Per Day (DWPD). Maßnahmen wie das Wear Leveling, das bei NAND-Flash für eine gleichmäßige „Abnutzung“ der Speicherzellen sorgt, seien nicht nötig. Auch eine Speicherreserve (Spare Area) wie bei Flash-basierten SSDs ist obsolet.

Viele IOPS und kaum eine Schreibschwäche

Everspin nennt eine Leistung von bis zu 1,5 Millionen IOPS beim wahlfreien 4KB-Zugriff, wobei die Leistung beim Lesen und Schreiben dank MRAM nahezu identisch ausfallen soll. NAND-Flash ist dagegen schreibend erheblich langsamer als lesend und nur durch Zwischenspeicherung (caching) wird ein hoher Schreibdurchsatz erreicht. Auch NAND-Flash-basierte SSDs der Enterprise-Klasse erreichen über eine Million IOPS, allerdings nur lesend.

Laut AnandTech soll die nvNITRO erst mit hoher Queue Depth (QD), also der Anzahl ausstehender Anfragen, ihre Maximalleistung erreichen. Doch bereits ab QD16 seien mehr als eine Million IOPS möglich, bei QD8 sollen es rund 800.000 IOPS sein und bei QD1 werden rund 175.000 IOPS lesend und 150.000 IOPS schreibend genannt.

Der Haken: Speicherdichte sehr gering

So groß die Vorteile in puncto Leistung und Haltbarkeit gegenüber NAND-Flash ausfallen, so groß ist der Nachteil bei der Speicherdichte und damit auch bei den Kosten. Everspins MRAM bietet aktuell nur 256 Megabit pro Die. Zum Vergleich: Bei NAND-Flash sind inzwischen mit 3D-NAND 256 Gigabit und damit tausendmal so viele Bits pro Die gängig; NAND-Flash mit 512 Gigabit steht bereits in den Startlöchern.

Aus diesem Grund fällt die Speicherkapazität der nvNITRO-Karten vergleichsweise gering aus: Anfänglich stehen auf Basis des 256-Mbit-MRAMs Modelle mit lediglich 1 oder 2 GByte Speicherplatz zur Verfügung. Erst im weiteren Jahresverlauf sollen Modelle mit 4 bis 16 GByte folgen, die bereits die nächste Generation MRAM mit 1 Gigabit nutzen. Neben der Vervierfachung der Kapazität pro Die findet auch ein Wechsel der Schnittstelle statt: Statt DDR3 bei 256-Mbit-MRAM soll der 1-Gbit-MRAM DDR4 nutzen.

Kosten ungewiss, aber hoch

Eine Unbekannte bleiben die Preise für die Speicherlösungen auf MRAM-Basis. Aufgrund der geringen Kapazität pro Die sind hohe Preise pro GByte zu erwarten. Selbst in dem kleinsten Modell der nvNITRO stecken bereits 32 der 256-Mbit-Dies.

Nachtrag: Everspin setzt auf die FPGA-Entwicklerkarte ADM-PCIE-KU3 als Basis, die allein 2.795 US-Dollar kostet.