13 vragen over flash-geheugen

De aloude harde schijf heeft zijn langste tijd gehad, menen de voorvechters van de solid state disk (SSD). Dit opslag-alternatief, op basis van flash-geheugenchips, is echter ook al weer op de weg terug. Aan nieuwe opslagmogelijkheden wordt hard gewerkt.

 

1 Wat is flash?

Flash is de verzamelnaam voor opslagsystemen waar data wordt opgeslagen op chips die hun informatie ook behouden nadat de voedingsspanning is weggehaald. Het is een vorm van niet-vluchtig geheugen die in 1984 voor het eerst op de markt kwam. Toshiba was de eerste fabrikant van deze geheugens, voortbordurend op de zogeheten EEPROM’s (Electrically Erasable Programmable Read Only Memories). Een EEPROM kon in zijn geheel worden gewist, waarna de chip met een volkomen nieuwe inhoud kon worden gevuld. Moderne flash chips kunnen in delen worden gewist en opnieuw beschreven.

 

 

 

 

2 Is elke flash-chip hetzelfde?

Er zijn twee basistechnieken voor het maken van flash-geheugenchips, die worden genoemd naar de schakelingen die intern worden gebruikt: NAND en NOR, ofwel in gewoon Nederlands niet-EN en niet-OF. Dit zijn schakelingen die een flip-flop vormen waarin je een bit kunt opslaan. NAND flash wordt het vaakst toegepast, de duurdere NOR-variant komt veel minder vaak voor. Een NAND-flash kan in blokken (honderden of duizenden bits groot) worden beschreven, een NOR-flash schakeling kan per byte worden gewist en beschreven.

 

 

 

 

3 Ik zie wel eens de aanduidingen SLC en MLC. Wat betekenen die?

In de begintijd werd elke geheugencel gebruikt voor de opslag van één enkel bit. Die techniek wordt aangeduid met de afkorting SLC, ofwel Single Level Cell. Als de geheugencel geheel vol lading zit, spreekt men van een logische 1; is de cel leeg, dan herbergt hij een logische 0. Tegenwoordig wordt ook gewerkt met Multi Level Cells (MLC’s) waarin plaats is voor vier verschillende ladingsniveaus. Dat geeft de mogelijkheid om 2 bits op te slaan. Een nieuwere ontwikkeling is de Triple Level Cell, met acht afzonderlijke ladingsniveaus, waarmee per cel 3 bits kunnen worden opgeslagen. Met ieder volgend level neemt de capaciteit toe met een factor 2, terwijl de fysieke afmetingen maar heel beperkt groter worden.

 

 

 

 

4 Flash-geheugen is zo duur. Wanneer wordt flash goedkoper dan gewone disks?

Moeilijk te zeggen. SSD’s worden wel steeds goedkoper en het tempo waarin dat gebeurt neemt bovendien toe. Maar de prijsdaling bij HD’s (harde schijven) gaat ook maar door.

De prijs per gigabyte voor een harde schijf ligt op dit moment tussen de 3 en 7 eurocent, afhankelijk van de grootte van de hele schijf en de snelheid waarmee deze gegevens kan lezen en schrijven. Hoe hoger de snelheid, des te duurder de disk.

De prijs per gigabyte voor een SSD ligt tussen de 35 en 50 eurocent, ook weer afhankelijk van de grootte van de ‘disk’ en de snelheid waarmee deze kan werken. Het prijsverschil is dus ongeveer een factor 10; een paar jaar geleden was dat nog een factor 200.

 

 

 

 

5 Hoe zit het met de levensduur van flash?

Een flash-geheugen kan maar ‘een beperkt aantal malen’ worden beschreven met nieuwe informatie. Dat klinkt erger dan het is, het gaat altijd nog om een paar duizend keer. Maar voor sommige toepassingen wordt dat aantal binnen afzienbare tijd gehaald (het beschrijven van een directory van een disk vergt heel wat schijfhandelingen). Vandaar dat de producenten kiezen voor een techniek waarbij delen van de SSD worden gewisseld. Op die manier krijgt niet een beperkt aantal cellen de volle laag, terwijl andere delen haast niets staan te doen. Deze aanpak kost wel tijd en energie, maar het is een middel om de SSD toch een redelijk lange levensduur te geven.

 

 

 

 

6 Wat zijn de voordelen van flash?

Het grootste voordeel van flash is de zeer hoge snelheid waarmee gegevens gelezen en geschreven kunnen worden. In tegenstelling tot een harde schijf kent een SSD geen latency, er hoeft niet te worden gewacht tot de data onder de leeskop doorlopen. Ook hoeft de arm met de leeskoppen niet eerst boven het juiste spoor op de disk te worden gemanoeuvreerd.

Omdat een SSD geen bewegende delen bevat, leent de techniek zich vooral voor gebruik in draagbare apparatuur die vaak blootstaat aan schokken en trillingen. Die externe invloeden worden een werkende harde schijf vaak fataal.

 

 

 

 

7 Zijn er ook nadelen verbonden aan flash?

Voor veel mensen is het beperkte aantal malen dat een flash drive beschreven kan worden een nadeel. Ook zien sommigen het als verspilling dat de bruikbare capaciteit van de drive een stuk kleiner is dan de ruwe omvang. De extra geheugencellen worden gebruikt om ervoor te zorgen dat bepaalde geheugenblokken niet te snel aan hun maximum qua aantal beschrijvingen komen te zitten. En ja, sommigen raken de kleinere flash-geheugens sneller kwijt. Dit geldt vooral voor geheugenkaartjes die gebruikt worden bij draagbare apparatuur en voor USB-flashdrives.

 

 

 

 

8 Zijn SSD’s en flash hetzelfde?

Nee. Sommige aanbieders hebben het niet over SSD, maar over flash of pure flash. Daarmee bedoelen ze een geheugenmodule die zich niet gedraagt als een traditionele diskdrive, maar is volgezet met flash-chips. Al die chips samen vormen een opslagvolume, dat ook als één blok kan worden geadresseerd; de computer heeft een directe toegang tot alle cellen. De configuratie van de chips is zodanig dat het optimum wordt gehaald uit de snelheid van het medium, er gaat geen tijd verloren met een simulatie van de tracks en sectoren van de traditionele harde schijf.

 

 

 

 

9 Bieden flash drives dezelfde opslagcapaciteit als de alternatieven?

De capaciteit van harde schijven neemt doorlopend toe. Momenteel zijn disks met een capaciteit van 4 terabyte al populair en in het bovensegment staan de disks van 6 TB volop in de belangstelling. Bij SSD’s zijn dergelijke hoeveelheden nog geen gemeengoed. De grootste SSD’s van het moment zijn 1 TB groot. Samsung levert zijn 850 EVO SSD voor een bedrag van 400 dollar, Crucial heeft de M550 van eveneens 1 TB en ook rond de 400 dollar en SanDisk levert de Ultra II voor 350 tot 400 dollar. Uitschieter is LSI, met een SSD van 4 TB, alleen kost die maar liefst 29.000 dollar.

De capaciteiten van pure flash zijn groter, omdat de ontwerpers daar niet hoeven te proberen om een aantal chips in de behuizing van een harde schijf te persen. IBM levert in de FlashSystem-familie twee modellen met SLC-cellen, de 710 en 720, en twee modellen met MLC-cellen, de 810 en 820. Dit geeft een range die loopt van 1 TB voor het kleinste model tot 20 TB voor de grootste uitvoering van de 820.

 

 

 

 

10 Heeft het zin om alles op flash op te slaan?

De leveranciers van All Flash Arrays (AFA) roepen natuurlijk van wel, maar enige voorzichtigheid is geboden. Deze oplossing is tamelijk duur en het is maar de vraag of die kosten terugverdiend kunnen worden. In gevallen waar een bedrijf zeer snel de beschikking wil hebben over grote hoeveelheden data is een AFA wel te overwegen, bijvoorbeeld voor een webwinkel die veel klanten tegelijk snel wil bedienen, of ten behoeve van een Big Data-analyse die snel resultaat moet hebben. In andere gevallen is het misschien toch beter om alleen de toplaag van de opslagpyramide uit te voeren in flash en voor de andere lagen minder dure media zoals disk, langzame disk en tape te kiezen.

 

 

 

 

11 Moet je je toepassingen aanpassen om flash drives optimaal te gebruiken?

In de meeste gevallen hoeft dat niet, de software van de flash-opslag regelt alle communicatie tussen de disk en de toepassingen. Een mogelijk punt is het gebruik van een grote in-memory database, waarbij alle te verwerken gegevens in het werkgeheugen staan. Dat wordt gedaan om de vertraging die het ophalen van data vanaf disk oplevert, te omzeilen. Wordt echt gebruik gemaakt van flash, dan kan het tijdverlies bij het binnenladen van data veel kleiner zijn en is het mogelijk om gebruik te blijven maken van een gewone database op disk en de dure in-memory variant buiten de deur te houden. In dat geval hoeft ook het werkgeheugen van het systeem niet heel erg groot te zijn. Het is niet mogelijk om hiervoor een eenduidig advies te geven, de plaatselijke situatie zal moeten worden geïnventariseerd en doorgerekend.

 

 

 

 

12 Is mijn data verloren als een flash drive defect raakt?

Treedt er een storing op in een flash-drive, dan zal deze naar een gespecialiseerd bedrijf moeten worden gebracht om te proberen de inhoud te redden. Daarvoor moet het bedrijf de beschikking hebben over een kopie van de software die data verdeelt over de diverse chips in de drive. Pas dan lukt het om de inhoud van de chips terug te vormen tot de oorspronkelijke data. Daarbij worden de chips meestal wel uitgesoldeerd en overgezet op een testbank. De SSD die is binnengebracht moet wel als verloren worden beschouwd.

Is er geen kopie van de software aanwezig, dan zal een poging worden gedaan om (delen van) de data te reconstrueren, bijvoorbeeld via reverse engineering. De resultaten van dit proces worden niet gegarandeerd. Mogelijk dat een gang naar de aanbieder van de SSD een betere stap is, op voorwaarde dat die leverancier ook aan data-recovery doet.

 

 

 

 

13 Wat komt er na flash?

Net na de eeuwwisseling publiceerde Intel een rapport waarin al melding werd gemaakt van de opvolgers van flash memory. Het ging toen om een speciaal uit plastic gemaakt geheugen dat een factor 10 goedkoper zou zijn dan het standaard geheugen en een geheugenelement dat werkt met optische opslag. Beide technieken hebben het niet gehaald, omdat de prijs van CMOS-geheugen een stuk lager werd en omdat het werken met optische geheugencellen toch teveel moeite kostte.

Tegenwoordig worden de kaarten gezet op geheel nieuwe technieken en variaties op oude technologie. De lijst ziet er als volgt uit:

 

Phase Change Memory (PCM), een geheugen dat is gemaakt van een soort glas, dat twee toestanden kan aannemen. Ofwel kristallijn of amorf. De verandering kan worden bewerkstelligd door het aanleggen van een spanning, de toestand van de cel kan via een weerstandsmeting worden uitgelezen. IBM ziet heel veel in deze techniek.

Magnetoresistive Ram (MRam), een wat oudere techniek die al een jaar of 20 bestaat, heeft als groot voordeel dat het principe volledig bekend is. Grote nadeel is de hoge kosten die zijn gemoeid met de fabricage.

3D NAND is een geavanceerde versie van de gewone flash-chips waarbij diverse lagen geheugencellen bovenop elkaar worden gezet. Intel werkt hier heel druk aan en heeft inmiddels een prototype met 32 lagen klaar. Eerste chips zullen in de tweede helft van dit jaar op de markt komen.

Resistive Ram (RRam), een techniek waarmee terabytes op een enkele chip kunnen worden gezet. Er zijn al prototypes klaar, ondermeer van Panasonic. Massaproductie laat nog even op zich wachten.

Spin-transfer Torque Ram (STT-Ram), een variant op de MRam, die al in producten wordt toegepast. De eerste producent was het bedrijf Grandis dat inmiddels is overgenomen door Samsung.

Grafeen geheugen, de nieuwe koolstofvorm (met een dikte van 1 atoom) kan worden gebruikt om bits op te slaan. Ook hier is het weer Samsung die heel veel geld steekt in onderzoek en ontwikkeling.

Memristor, de afkorting van memory-resistor. Het gaat om een materiaal dat door externe stimuli een bepaalde weerstand kan krijgen om die vervolgens vast te houden. Daarmee kunnen geheugens worden gemaakt. HP is heer en meester op dit gebied en hoopt in 2016 onder de naam The Machine een computerreeks aan te kondigen die is voorzien van memristorgeheugens.

 

Tag

SSD

Onderwerp



Niet gevonden? Vraag het de redactie!

Heeft u het antwoord op uw vraag niet gevonden, of bent u op zoek naar specifieke informatie? Laat het ons weten! Dan zorgen we ervoor dat deze content zo snel mogelijk wordt toegevoegd, of persoonlijk aan u wordt geleverd!

Stel uw vraag