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Phase Change Memory von HGST nähert sich der Produktreife

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Fast alle Speicher-Hersteller arbeiten derzeit an neuen Technologien, welche die Speicherdichte, Geschwindigkeit und Lebensdauer klassischer Flashspeicher erhöhen sollen. Phase Change Memory (PCM) gilt als nächste Generation in all diesen Bereichen. HGST hat das Flash Memory Summit 2015 zum Anlass genommen seine aktuelle Entwicklung im Bereich des PCM zu erläutern.

Demonstriert wurde der Zugriff auf den Speicher mittels RDMA (Remote Direct Memory Access) und Infiniband. Es ging darum die geringen Zugriffszeiten zu demonstrieren, denn per besagtem Fernzugriff wurde auf eine Datenbank zugegriffen. Die Reaktionszeit lag bei nur 2,3 µs, die gleiche Abfrage aus dem Arbeitsspeicher würde nur 1,9 µs benötigen. Damit seien PCM-SSDs natürlich für den Server-Einsatz im Bereich der Datenbanken prädestiniert.

PCM-SSD von HGST
PCM-SSD von HGST (Bild: Heise.de)

Die von HGST verwendete PCM-SSD bestand aus einer PCI-Express-Karte, auf der sich 2 TB an Speicher befinden. Besondere Herausforderungen stellt der PCM hinsichtlich der Anbindung zwischen den Speicherchips und dem Controller. Selbst NVMe sei hier laut HGST zu langsam und weise einen zu großen Overhead auf. Entwickelt wurde eine neue Schnittstelle gemeinsam mit der Universität von Kalifornien in San Diego. Der Öffentlichkeit vorgestellt wurde das neue Interface-Protokoll Anfang 2014 auf der Usenix-Konferenz File and Storage Technologies (FAST). Durch die geringen Zugriffszeiten werden bis zu 3 Millionen IOPS (Random Reads von 512-Byte-Blöcken) erreicht. Zum Vergleich: Erst gestern zeigte Samsung die PM1725, die auf eine Million IOPS für das Lesen von Daten kommt.

Theoretisch sei es bereits heute möglich, eine solche PCM-SSD in eine Server zu integrieren. Den dazugehörigen Kernel-Treiber könnte HGST in Linux einpflegen. Allerdings wird es noch einige Zeit dauern, bis solche Produkte die Marktreife erlangen. HGST spricht von zwei bis drei Jahren.

Technischer Hintergrund zu Phase Change Memory (PCM)

Die Speicherung von Daten erfolgt über ein Material, das sich entweder in einem kristallinen oder amorphen Zustand befindet. Diese Zustände repräsentieren das Low- und High-Level aus der Flash-Technologie. Über einen elektrischen Stromfluss, der mehrere hundert Mikroampere stark ist und etwa 50 Nanosekunden andauert, wird das Chalcogenide genannte Material zunächst in den amorphen Zustand überführt. In diesem kann es durch eine schnelle Abkühlung verbleiben und kristallisiert nicht erneut aus. Dieser Zustand zeichnet sich beim Lesen der Daten durch einen hohen elektrischen Widerstand aus. Wird jedoch eine bestimmte Spannung überschritten, wird das Material wieder gut leitend. Diese Eigenschaft nennt sich "Dynamic on State".

512 Megabit PCM LPDDR2 MCP von Micron
512 Megabit PCM LPDDR2 MCP von Micron

Soll das Chalcogenide wieder in den kristallinen Zustand überführt werden, wird ein kleiner Strom (20 bis wenige hundert Mikroampere) über einen längeren Zeitraum (100 Nanosekunden) angelegt. Das amorphe Material wird über seine Kristallisationstemperatur gebracht, Kondensationskeime bilden sich aus und das Material wird wieder kristallin. Auch hier reicht wieder ein kleiner Stromfluss, um den elektrischen Widerstand zu bemessen und somit den Zustand auszulesen. Ein kleiner Stromfluss erlaubt also das Auslesen des jeweiligen Zustands. Dies und der geringe Strom beim Schreiben der Daten sind neben den geringen Latenzen die größten Vorteile von PCM gegenüber den klassischen Flash-Technologie.

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Kommentare (9)

#1
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Registriert seit: 01.01.2007
Exil
Der Saft ist mit euch!
Beiträge: 8277
Mir kann das gar nicht schnell genug gehen, im Moment ist der Desktop SSD Markt in meinen Augen einfach nur tot.

Hatte die Intel 750 mit dem tollen neuen NVMe hier, eine einzige Enttäuschung im Praxiseinsatz. Ja geil, sequenzielle Datenraten kann sie, aber was bringt mir das bei meinen Desktop Anwendungen? Bei den wichtigen Punkten Random Read und Access Times können meine alten SATA SSDs locker mithalten, also wozu soll ich bitte noch aufrüsten?

Ich teste jetzt nochmal eine Samsung NVMe an (wenn die sich denn mal bequemen den Markt zu bedienen), mal schauen ob deren Controller zumindest ein bisschen was bei 4K rausholen kann. Aber grundsätzlich scheint NAND einfach am Ende zu sein.
#2
Registriert seit: 17.06.2010

Oberstabsgefreiter
Beiträge: 417
Ein weiterer Vorteil von PCM der nicht unerwähnt bleiben sollte ist die weit höhere Lebensdauer in Relation zu den Schreibzyklen. PCM verträgt um viele Größenordnungen mehr Schreibzyklen als Flash und im Gegensatz zu Flash verschlechtert sich die Lebensdauer im Zuge einer Strukturverkleinerung nicht.

Abgesehen davon ist Flash technisch/physikalisch in absehbarer Zukunft was die Datendichte betrifft ausgereizt.
#3
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Registriert seit: 03.07.2001
127.0.0.1
Admiral
Altweintrinker
Beiträge: 25339
Wie lang hält PCM seine Daten eigentlich im stromlosen Zustand?
#4
Registriert seit: 17.06.2010

Oberstabsgefreiter
Beiträge: 417
Zitat Mr.Mito;23768890
Wie lang hält PCM seine Daten eigentlich im stromlosen Zustand?


Potenziell praktisch unbegrenzt lange. Je nach Material und Lagertemperatur könnte dieses vielleicht irgendwann langsam aus dem amorphen Zustand rekristallisieren aber im Normalfall sollte das auch langfristig nicht passieren.
#5
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Registriert seit: 14.05.2007

Fregattenkapitän
Beiträge: 2705
Zitat Superwip;23767340
Abgesehen davon ist Flash technisch/physikalisch in absehbarer Zukunft was die Datendichte betrifft ausgereizt.
Derzeit ist ja 3D-Flash mit TLCs am anlaufen. Was folgt, sind QLCs mit mehr Layern und zudem Shrinks, also einige Jahr(zehnt)e geht das vermutlich noch.
#6
Registriert seit: 05.07.2010

Admiral
Beiträge: 13570
Interessant ist übrigens, dass auch das 3D XPoint von Intel/Micon eine Phase Change Memory zu sein scheint:
#7
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Registriert seit: 19.05.2006
unterwegs
SuperModerator
Märchenonkel
Jar Jar Bings
Beiträge: 21810
Das denke ich nicht, vorallem weil IMFT das kategorisch verneint:
Zitat
At an array level, 3D XPoint operation is rather easy to understand, but what happens inside the memory cell during a bulk property change is a more complex issue. Personally, what comes to mind is that there are two ways in order to do this – physically adjust the properties of the cell with an external stimulus that adjusts the crystal structure, or chemically adjust the properties of the material used in the cell. During the discussions after the announcement, we were told categorically that this is not a phase change material, eliminating one potential avenue that it might be the change in the crystal structure of the cell producing the resistance change. This also makes a lot of sense, given the claims of a high durability where a constant crystal structure change could have affected the metal bonding between different parts of the cell as inter-structure atom lengths adjusting frequently. This leaves a chemical adjustment, or specifically the realignment in the electron structure of the bit in the cell, that promotes the resistance difference.

Quelle: The Technology - Analyzing Intel-Micron 3D XPoint: The Next Generation Non-Volatile Memory
#8
Registriert seit: 05.07.2010

Admiral
Beiträge: 13570
Solange es nicht genau verraten wird was es ist, also wohl solange das Patent nicht durch ist, wird man wohl weiter raten müssen was sich dahinter genau verbirgt. Vielleicht ist man sich auch so sicher, dass es keine kopieren kann, dass man auf ein Patent verzichtet um eben nicht zu verraten wie es genau funktioniert. Patente haben ja bekanntlich den Nachteil, dass man da recht genau offenlegen muss was man macht und dann kommt meist jemand der gerade genug verändert um das Patent nicht zu verletzen und wenig genug, damit es auch noch funktioniert. Hält man das Patent ungenau genug um das zu vermeiden, wird es am Ende womöglich von einem Gericht einkassiert.
#9
Registriert seit: 17.06.2009

Oberleutnant zur See
Beiträge: 1429
3DXPoint verwendet gemäss einer Aussage eines führenden Managers nicht PhaseChange. Anandtech zitiert ein Gespräch mit Greg Matson, SSD Director bei Intel.

Zitat
It was specifically asked 'Is this Phase Change?' and he [Greg Matson] responded 'I can confirm it is not Phase Change'.


Quelle (unten im Kommentar von Ian Cutress - Friday, July 31, 2015)

Anandtech vermutet Conductive Bridging als verwendete Technologie.
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