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Tech. Erkenntnisse Die Zukunft von Halbleiterspeichern in Laptops

Die Solid-State-Hybridfestplatten von Seagate genügen den Speicheranforderungen von Mobilgeräten sowie von Laptops und Notebooks.

Halbleiterfestplatten werden den Anforderungen nach schneller Leistung für diverse Geräte von Laptops bis hin zu Smartphones in zunehmendem Maße gerecht. Diese immer häufigere Verwendung von Halbleiterspeichern sorgte außerdem für ein hohes Maß an Optimismus im Zusammenhang mit dem Potenzial dieser Speichertechnik, zur am weitesten verbreiteten Speicherform zu werden und dabei sogar konventionelle, festplattenbasierte Speicherlösungen hinter sich zu lassen.

Bei einem objektiven Blick auf den Speichermarkt wird dieser Optimismus jedoch nicht untermauert. Durch die Art und Weise, wie sich der Computermarkt verändert – Analysten prognositizieren, dass bis 2015 zwei Drittel aller Computing-Geräte Smartphones und Tablets sein werden –, wird es für die Hersteller von Flash-Chips immer schwieriger, alle Segmente realistisch und kostengünstig zu bedienen. Vielmehr sollte die Halbleitertechnik als Hilfstechnologie betrachtet werden, mit der die Speicheranforderungen mobiler Geräte befriedigt werden können und die dazu beitragen kann, mehr Leistung aus Laptops mit konventionellen Festplattenspeichern herauszuholen.

Vergleich von Nachfrage und Produktion

Werfen wir einen Blick auf einige Zahlen. Ein Exabyte Speicherkapazität entspricht einer Million Terabyte bzw. einer Milliarde Gigabyte. Der insgesamt weltweit verfügbare Markt für Laptop-Festplatten belief sich 2010 auf 69 Exabyte und für 2011 wird ein Anstieg auf 95 Exabyte erwartet.1 Das ist enorm viel Speicherkapazität. Des Weiteren wird angenommen, dass die durchschnittliche Speicherkapazität einer Notebook-Festplatte von fast 300 GB in 2010 auf über 359 GB in 2011 ansteigen wird.1 Laptop-Nutzer fragen nach mehr Speicherkapazität, nicht nach weniger.

Bei NAND-Flash-Speicher handelt es sich um die Speicherkomponente von SSDs. In manchen Kreisen des Speichermarkts lautet die gängige Meinung, dass SSDs in den kommenden Jahren die herkömmlichen Festplatten in Laptops im großen Stil ersetzen werden. Dabei darf jedoch nicht vergessen werden, dass die gesamte NAND-Flash-Speicherbranche 2010 kaum in der Lage war, mehr als 11 Exabite an Speicherkapazität zu produzieren. Davon wurden über zehn Exabyte (93 %) für Geräte wie Smartphones, Tablets und SD-Karten verwendet.1 Lediglich 0,86 Exabyte (7 %) dieses NAND-Flash-Speichers kamen in SSDs zum Einsatz.1

Laut Prognosen wird die Produktionskapazität für NAND-Flash-Speicher 2011 auf 21 Exabyte anwachsen. Hiervon werden etwa zwei Exabyte (9 %) für SSDs und der Rest (91 %) für Smartphones und andere Geräte verwendet werden.1 Die Kosten für den Bau einer großen Werksanlage, in der 3,75 Exabyte nicht flüchtiger NAND-Fash-Speicher produziert werden können, belaufen sich auf 10 Milliarden US-Dollar.2 Des Weiteren würde es zwei bis drei Jahre dauern, bevor die Produktion in einer solchen NAND-Großanlage voll anlaufen könnte. Kleinere Fabriken könnten der enormen Nachfrage nach Laptop-Speichern nur in sehr begrenztem Umfang gerecht werden.

Können die NAND-Flash-Hersteller mit der Nachfrage nach Laptop-Speicher Schritt halten?

Selbst wenn man den gesamten zusätzlichen NAND-Flash-Speicher für Halbleiterfestplatten verwenden würde, wäre die dafür nötige Investition von 10 Milliarden US-Dollar2 lediglich ausreichend, um 4 % der für 2011 für den Laptop-Markt prognostizierten 95 Exabyte abzudecken. Eine Ausgabe in Höhe von 10 Milliarden US-Dollar2 für nur 4 % des Marktanteils bei Notebook-Speichern bzw. einen Gewinn von 430 Millionen US-Dollar2 ist nicht rentabel.

Damit 2010 der gesamte Laptop-Speichermarkt hätte bedient werden können, wären Investitionen in Höhe von 170 Milliarden US-Dollar2 in Produktionsanlagen für NAND-Flash-Speicher erforderlich gewesen. Und im Jahre 2011 würden entsprechende Investitionen in Höhe von 250 Milliarden US-Dollar2 nötig sein, um die prognostizierte Nachfrage nach Laptop-Festplatten zu befriedigen. Aber 10 Milliarden US-Dollar2 decken hierbei lediglich die Ausgaben für die Werksanlage. Alle weiteren Kosten, wie beispielsweise für den Betrieb oder die Abschreibung auf die Werksanlage, sind hierbei noch nicht berücksichtigt.

Die weltweite Produktionskapazität soll gemäß den Erwartungen von 11,5 Exabyte 2010 auf 21 Exabyte 2011 ansteigen. Das ist ein Anstieg um gigantische 82 %. Aber wahrscheinlich werden nur 9 % (etwa 2 Exabyte) dieses NAND-Flash-Speichers für SSDs verwendet werden. Selbst bei diesem beeindruckenden Wachstum von über 80 Prozent wird sich aber die riesige Lücke zwischen für SSDs produzierbarem NAND-Flash-Speicher und der enormen NAND-Nachfrage durch Laptops noch weiter vergrößern.

Unabhängig davon, welche Mengen an NAND-Flash-Speicher für Halbleiterfestplatten von einer derartigen Großfabrik produziert würden, ließe sich die erzielte Rendite in Anbetracht des relativ kleinen Markts für Laptop-Halbleiterfestplatten nur schwer rechtfertigen. Es gibt einen guten Grund, warum zusätzliche Produktionskapazität besser für Smartphones, Tablets und andere Produkte verwendet werden sollte: Für diese Produkte bleiben nämlich die Erträge sehr viel höher und die Kosten sehr viel niedriger, da in diesem Markt die Leistungs- und Zuverlässigkeitsanforderungen bei Weitem nicht so hoch sind wie für Laptops.

Fazit: Auf dem Laptop-Markt werden noch für viele Jahre herkömmliche Festplatten vorherrschend sein, da die Hersteller von SSDs die stetig wachsende Nachfrage nach Laptop-Speicher weiterhin nicht voll befriedigen können.

Solid-State-Hybridfestplatten

Flash-Speicher stellen einen Teil der Antwort auf die Frage dar, wie die Leistungsanforderungen bei hauptsächlich mit HDDs ausgestatteten Laptops befriedigt werden können, wobei es mit SSDs alleine nicht getan sein wird. Während sich ein Großteil der weltweiten Nachfrage nach NAND-Flash-Speicher auf Produkte wie MP3-Player, Mobiltelefone und Kameras beschränkt, ist nach Ansicht von Seagate genügend Flash vorhanden, um Enterprise- und Hybrid-Halbleiterspeicherlösungen abzudecken.

Durch die Integration eines kleinen Flash-Speichers in die Festplatte entsteht eine Solid-State-Hybridfestplatte (SSHD), mit der Benutzer viele der Leistungsvorzüge der Flash-Technik ohne die zusätzlichen Kosten erhalten. Hybridspeicherlösungen nutzen auf intelligente Weise die besten und kostengünstigsten Vorteile sowohl der Halbleiter- als auch der herkömmlichen Festplattentechnik. Zusätzlich erfüllen SSHDs bei einem Formfaktor von 2,5 oder 3,5 Zoll mit integrierter Intelligenz die Anforderungen in Bezug auf Kapazität, Leistung und Preisvorteil, und zwar bei geringstmöglicher Störung der Benutzererfahrung.

Steigerung der Zuverlässigkeit

SSHDs meistern jedoch nicht nur die Herausforderung, kostengünstig mehr Leistung zur Verfügung zu stellen, sondern sie beheben auch einige Schwächen von HDD- und SSD-Geräten, um für mehr Zuverlässigkeit bei Hybridlösungen zu sorgen.

Da Festplatten eine rotierende Platte enthalten, unterliegen sie im Lauf der Zeit mechanischem Verschleiß und bieten im Vergleich zu einer Flash-Festplatte eine geringere Erschütterungsfestigkeit. Festplattenhersteller sind weiterhin bemüht, die Annualized Failure Rate (AFR) zu reduzieren und die MTBF zu erhöhen, insbesondere bei Festplatten der Enterprise-Klasse; aber garantierte Zuverlässigkeit hat unabhängig von der Technik natürlich ihre Grenzen. SSHDs kompensieren diesen Makel, indem sie wichtige Daten für schnelleren Zugriff und eine geringere Anfälligkeit auf der SSD speichern.

Halbleiterspeicher hingegen haben bei den Schreibzyklen und bei der Datenspeicherung mit Problemen zu kämpfen. Ähnlich wie bei einer Batterie lässt auch bei SSDs allmählich die Fähigkeit nach, häufig verwendete Daten (gelöschte/geschriebene Daten) über einen längeren Zeitraum hinweg zu speichern. Wear-Leveling kann dieses Phänomen zwar hinauszögern, führt jedoch zu fragmentierten Daten sowie langsamerer Leistung. Das Defragmentieren zum Wiederherstellen der Geschwindigkeit trägt wiederum zusätzlich zum Verschleiß der Festplatte bei. SSHDs beheben diesen Schwachpunkt, indem sie Daten, die nicht so häufig abgerufen werden, auf der Festplatte speichern.

Im Zusammenhang mit Festplatten wird es immer ein Kapazitätswachstum, sich weiterentwickelnde Schnittstellen und eine stetige Verbesserung der Zuverlässigkeit geben. Im Mittelpunkt wird jedoch die Fähigkeit des Speicheranbieters stehen, sich durch die Leistung seiner Festplatten zu profilieren. Die Technik von SSHDs mit integrierter Intelligenz ist der natürliche Weg, um eine derartige Differenzierung zu ermöglichen.

Erfahren Sie mehr über diese innovativen Produkte auf der Seite Solid-State-Hybridtechnik von Seagate.

Fußnoten

1 Gartner, „Forecast: NAND Flash Supply and Demand, Worldwide, 1Q09-4Q11, 4Q10 Update“, Seite 2, Tabelle 15-3, Dezember 2010
2 Alle Angaben in US-Dollar

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