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Tech. Erkenntnisse Die Technik Adaptive Memory Technology in Solid-State-Hybridfestplatten

Die Technik Adaptive Memory von Seagate wird zwei wichtigen Forderungen der Benutzer bei der Laptop-Leistung gerecht: einer schnellen Boot-Zeit und der Datenintegrität.

Die Anzahl der ausgelieferten Festplatten (HDDs) soll laut dem Marktforschungsunternehmen IHS iSuppli bis 2016 auf ein Gesamtvolumen von 575,1 Millionen Einheiten ansteigen. Zweifellos hat sich die Festplattentechnik im Lauf der Jahre mit Riesenschritten weiterentwickelt, wobei besonders die Speicherkapazität stetig zugenommen hat und dank der modernen Mikroprozessoren eine hohe Leistung erzielt wird. Da sich die Rechenleistung der Computer alle zwei Jahre verdoppelt, sind die Benutzer jedoch zunehmend auf Halbleiterfestplatten (SSDs) umgestiegen, um leistungsfähigere Systeme zu erhalten und die aktuelle Mikroprozessortechnik in vollem Umfang nutzen zu können.

Und doch wird die Freude über die vermeintliche Schnelligkeit der SSDs durch ihren hohen Preis und den eingeschränkten Funktionsumfang im Vergleich mit HDDs getrübt. Dank der Einführung von Solid-State-Hybridfestplatten (SSHDs) kommt der Verbraucher jetzt in den Genuss optimaler Leistung und hoher Speicherkapazität in nur einem Gerät.

SSHD-Technik und weitere Lösungen mit Hybridfestplatten

Die SSHD-Technik stellt die neueste Möglichkeit dar, um die Speicherkapazität herkömmlicher Festplatten und die Leistung von Halbleiterfestplatten in einem Gerät zu vereinen. Eine SSHD kombiniert einen Halbleiterspeicher wie den einer SSD mit dem herkömmlichen rotierenden Speichermedium einer HDD. Durch die Integration eines kleinen, kostengünstigen Halbleiterspeichers bzw. eines NAND-Flash-Speichers in die Kernarchitektur einer Festplatte bieten SSHDs die Leistungsvorteile einer SSD, die Speicherkapazität einer HDD und einen Preispunkt, der nur unwesentlich über dem einer herkömmlichen Festplatte liegt. SSHDs sind um das bis zu 4,5-fache schneller als vergleichbare Festplatten mit 7.200 U/min und verfügen über eine sehr viel größere Speicherkapazität als SSDs.

Früher wurden bei anderweitigen Lösungen mit Hybridfestplatten nicht integrierte Kombinationen von SSDs und HDDs in einem einzelnen Computersystem verbaut. Diese Systeme werden auf verschiedene Weise gesteuert.

Hybridlösungen mit zwei Festplatten arbeiten mit voneinander getrennten SSDs und HDDs, die in einem einzelnen Laptop oder Desktop-PC installiert sind. Die Leistungsoptimierung dieser Systeme wird über eine Host-Software verwaltet. Die Festplatte Fusion von Apple ist ein Beispiel für eine solche Hybridlösung mit zwei Festplatten.

Flash-Cache-Module (FCMs) verwenden ebenfalls eine Kombination aus voneinander getrennten SSD- und HDD-Komponenten. Die Leistungsoptimierung erfolgt über eine Host-Software, Gerätetreiber oder eine Kombination aus beiden. FCMs kommen am häufigsten mit der Smart-Response-Technik (SRT) von Intel zum Einsatz. Die SRT wird durch spezielle Chipsätze von Intel im Zusammenspiel mit Gerätetreibern von Intel in das System implementiert. Die meisten FCMs sind für den Laptop-Markt vorgesehen.

Bei beiden Kategorien von Hybridfestplatten wird das Gleichgewicht zwischen verbesserter Leistung und Verfügbarkeit großer Speicherkapazität dadurch erzielt, dass sogenannte Hot Data, bzw. Daten, die am engsten mit der Leistungsoptimierung im Zusammenhang stehen, im NAND-Flash-Speicher bzw. im SSD-Bereich der Speicherarchitektur abgelegt werden. Aus diesem Grund wird ein Mechanismus für den effizienten Umgang mit diesen Hot Data benötigt. Dieser Mechanismus trägt bei den SSHDs von Seagate® SSHDs den Namen Adaptive Memory™.

Die Technik Adaptive Memory

Als Seagate die SSHD-Technik einführte, entwickelte das Unternehmen diverse fortschrittliche Algorithmen, um die Datennutzung zu verfolgen und häufig genutzte Daten bei der Speicherung im schnellen Flash-Bereich des Geräts zu priorisieren. Diese Algorithmen, die die Grundlage der Technik Adaptive Memory bilden, wurden entwickelt, um die Prioritäten von Daten zu ändern, wenn unterschiedliche Anwendungen im Lauf der Zeit andere Daten anfordern.

Die über die Firmware in der SSHD von Seagate implementierte Technik Adaptive Memory wird auch als eine selbstlernende Technik bezeichnet. Diese Bezeichnung ist darauf zurückzuführen, dass die SSHD intelligente Entscheidungen bei der Speicherung von Daten im NAND-Flash-Speicher trifft, ohne dass der Host oder die zugehörigen Treiber der Speichergeräte eingreifen müssen. Die Technik Adaptive Memory identifiziert Datenelemente, die für mehr Leistung auf Host-Ebene von Bedeutung sind, und überträgt derartige Datenelemente vom HDD-Speicher in den NAND-Flash-Speicher.

Da alles innerhalb der Festplatte abläuft, weiß die Technik Adaptive Memory aus erster Hand, welche Datenelemente idealerweise im Halbleiterspeicher statt auf der herkömmlichen Festplatte gespeichert werden sollen. Auf der Basis dieses Wissens können diese Daten dann an den NAND-Flash-Speicher übertragen werden. So werden beispielsweise Datenelemente, die mit dem Boot-Vorgang, dem Neustart und dem Versetzen des Computers in den Standby-Modus zu tun haben, sowie weitere häufig aufgerufene Daten für die Ablage im Halbleiterspeicher priorisiert. Datenelemente hingegen, die mit langen und sequenziellen Datenfolgen wie etwa in Video- oder Audio-Dateien zusammenhängen, können von einer Speicherung im NAND-Flash-Speicher nicht profitieren.

Die Vorteile der integrierten Architektur einer SSHD

Wie bereits erwähnt stellt die Verwendung der Smart-Response-Technik (SRT) von Intel in Flash-Cache-Modulen (FCMs) eine weitere Möglichkeit dar, um SSD- und HDD-Technik zusammenzubringen, um die Leistung zu verbessern und die Speicherkapazität zu schonen. Während die SRT schon bald zusammen mit handelsüblichen SSHD-Produkten von Seagate erhältlich sein wird, indem eine aktuelle Erweiterung des SATA-E/A-Befehlssatzes verwendet wird, sollen aktuelle Systeme mit SRT unter Verwendung separater HDD- und SSD-Komponenten implementiert werden.

Um die SRT in ein FCM zu implementieren, werden ein spezieller Mikroprozessor sowie Schnittstellen-Chipsätze von Intel verwendet, um die separaten SSD- und HDD-Komponenten in einem RAID zu konfigurieren. Die gesamte Kommunikation zwischen den gekoppelten Geräten wird über die SATA-Schnittstelle verwaltet.

Im Gegensatz dazu ermöglicht das integrierte Design einer SSHD die Verwaltung der gesamten Kommunikation zwischen dem NAND-Flash und dem HDD-Medium über das Host-System (Abbildung 1). Dieses integrierte Design bietet mehrere entscheidende Vorteile gegenüber einem FCM:

Integration und Bereitstellung: Da SSHDs über die herkömmlichen Formfaktoren von HDDs verfügen, können sie einfacher in ein System integriert werden und benötigen keinen zusätzlichen Platz. Die Bereitstellung von SSHDs ist ebenfalls ein Kinderspiel, da sie exakt wie eine typische HDD verwendet werden können.

Kosten: Da weniger Anschlüsse vorhanden sind und bestimmte Komponenten komplett wegfallen, sind die Gesamtkosten für SSHDs außerdem geringer als für FCMs.

Datenintegrität: Bei SSHDs ist das Risiko einer Datenseparation geringer. Da FCMs die SATA-Schnittstelle verwenden, um Daten zwischen den einzelnen SSD- und HDD-Geräten zu verschieben, wird durch die Separation der gespeicherten Daten das Risiko erhöht, dass Daten bei einem Stromausfall oder einem Gerätefehler verloren gehen.

Vergleich zwischen SSHDs und FCMs: SSHDs sind integriert und bieten Vorteile gegenüber FCMs

SSHD und NAND-Flash – Wieviel ist genug?

Eine weit verbreitete Sorge bei den potenziellen Käufern von SSHDs ist die relativ geringe Größe des enthaltenen NAND-Flash-Speichers. Seagate verwendet für den Cache zur Leistungsoptimierung einen NAND-Flash-Speicher mit 8 GB. Die Technik Adaptive Memory bildet das Gehirn des Systems, von dem diejenigen Daten ausgewählt werden, die in diesem relativ kleinen Flash-Speicher gespeichert werden sollen.

Die entscheidende Frage lautet daher wie folgt: Reichen 8 GB NAND-Flash-Speicher aus, um den Anforderungen der Endkunden und der Computerhersteller gerecht zu werden? Für die Mehrheit der Computernutzer ist die Antwort auf diese Frage ein eindeutiges „Ja“, da für die meisten Computer-Workloads nur eine relativ geringe Menge der insgesamt gespeicherten Daten benötigt wird, um leistungsfähig zu arbeiten. Hierbei handelt es sich um das Schlüsselkonzept, das sich hinter allen Formen der Hybridspeicher verbirgt. Es ist auf der Tatsache begründet, dass die üblichen Computeranwendungen – Textverarbeitung, E-Mail, Tabellenkalkulation sowie viele weitere Client- oder Cloud-basierte Anwendungen – nicht mit großen oder sich häufig ändernden Datensätzen arbeiten müssen.

Doch selbstverständlich gibt es für diese Regel auch Ausnahmen. Die Bearbeitung von High-Definition-Videos und CAD sind zwei Arten von Anwendungen, bei denen mit großen, sich rasch ändernden Datensätzen gearbeitet wird. Für derartige Anwendungen würden sich durch die Verwendung der SSHD-Technologie keine signifikanten Vorteile ergeben.

Fazit

Die sich stetig verbessernde Mikroprozessortechnologie fördert die Nachfrage nach mehr Speicherleistung und die Nachfrage nach mehr Speicherkapazität wächst auch weiterhin pro Jahr um über 50 Prozent. Obwohl sich SSDs inzwischen Anteile des Speichermarkts erkämpft haben, bieten sie dennoch nicht die Kosteneffizienz herkömmlicher Festplatten sowie deren Vorteile bei der Speicherkapazität.

Die SSHD-Technologie trägt dazu bei, den Bedarf an schnellen und zuverlässigen Speicherlösungen mit geringem Platzbedarf zu befriedigen. Dank der Technik Adaptive Memory zur optimalen Nutzung des NAND-Flash-Speichers und des HDD-Speichers bieten SSHDs eine ideale Mischung aus Geschwindigkeit und Speicherkapazität. Die inzwischen von allen großen Festplattenherstellern angebotenen SSHDs werden auch weiterhin für eine überzeugende Ausgewogenheit von Leistung, Speicherkapazität und Preis sorgen.

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