XL-Flash: Toshibas Turbo-NAND ist fertig

Michael Günsch 30 Kommentare
XL-Flash: Toshibas Turbo-NAND ist fertig
Bild: Toshiba Memory

Ein Jahr nach der Ankündigung ist Toshibas XL-Flash fertig. Der nicht flüchtige Speicher soll die große Lücke zwischen schnellem und teurem DRAM sowie günstigem und langsamen NAND-Flash füllen und wird als Storage Class Memory (SCM) beschrieben. Auf Samples im September soll die Massenfertigung 2020 folgen.

Als Storage Class Memory (SCM) oder auch Persistent Memory werden in diesen Tagen diverse neue Speichertechniken beschrieben. Allen voran ist der von Intel und Micron entwickelte 3D XPoint zu nennen, der inzwischen nicht nur in SSDs, sondern auch als nicht flüchtiger Arbeitsspeicher im DIMM-Format zu haben ist.

Toshibas XL-Flash ist ein „aufgebohrter“ NAND-Flash

Mit dem Phasenwechselspeicher 3D XPoint hat Toshibas XL-Flash technisch aber wenig gemein. Denn der Name verrät bereits, dass es sich um eine spezielle Form von Flash-Speicher handelt. Vielmehr ist der XL-Flash als Pendant zu Samsungs Z-NAND zu verstehen, der schon in Server-SSDs eingesetzt wird. Beide sind auf hohe Leistung getrimmte NAND-Flash-Speicher, die deutlich schneller als herkömmlicher NAND-Flash arbeiten. An die kurzen Antwortzeiten von flüchtigem DRAM werden sie nicht heranreichen. Dafür können sie Daten auch ohne Stromzufuhr vorhalten und sind pro Bit günstiger herzustellen.

XL-Flash startet wie 3D XPoint mit 128 Gigabit

Vor einem Jahr hatte Toshiba erste Details zum XL-Flash verraten. Gegenüber herkömmlichem NAND-Flash verkürzte Word Lines und Bit Lines sowie eine deutlich höhere Anzahl horizontaler Ebenen (Planes) – nicht zu verwechseln mit den vertikalen Layern – pro Die sind die wesentlichen Eckpfeiler für mehr Leistung.

Im Zuge der heutigen Ankündigung wurden weitere Informationen verraten. So verfügt ein Speicherchip (Die) über eine Speicherkapazität von 128 Gigabit (16 GByte) und wird doppelt, vierfach oder achtfach in einem Package untergebracht, das entsprechend 32 GByte, 64 GByte oder 128 GByte Speicherkapazität bietet.

  • 128 gigabit (Gb) die (in a 2-die, 4-die, 8-die package)
  • 4KB page size for more efficient operating system reads and writes
  • 16-plane architecture for more efficient parallelism
  • Fast page read and program times. XL-FLASH provides a low read latency of less than 5 microseconds, approximately 10 times faster than existing TLC
Schlüsselmerkmale des XL-Flash laut Toshiba Memory

Zum Vergleich: Ebenfalls mit 128 Gigabit pro Die war 3D XPoint gestartet, Samsungs Z-NAND bot hingegen nur 64 Gigabit. Normaler NAND-Flash hat inzwischen die Marke von 1 Terabit erreicht und sogar überschritten; DRAM ist wiederum erst bei 16 Gigabit angelangt und der ebenfalls zukunftsträchtige MRAM bietet sogar vorerst nur 1 Gigabit pro Die. Letztlich ist aber die Speicherdichte, also der Speicherplatz in Relation zur Chipfläche, als ein wesentlicher Kostenfaktor entscheidend. Wie groß die XL-Flash-Chips ausfallen, ist aber noch nicht bekannt.

16 Planes mit SLC-Design und 5 µs Latenz

Die versprochene Aufstockung der nebeneinander liegenden Planes für mehr parallele Zugriffe durch diese einzelnen Speicherbereiche des Dies hat nun eine konkrete Zahl. Statt der bei NAND-Flash üblichen zwei oder vier Planes sind es deren 16.

Infografik zum XL-Flash
Infografik zum XL-Flash (Bild: Toshiba Memory)

Im Vorfeld hatte Toshiba für eine SLC-Variante (1 Bit pro Speicherzelle) des XL-Flash eine Latenz beim Lesezugriff von einem Zehntel von herkömmlichem TLC-Flash versprochen, aber keine konkreten Zeitangaben gemacht. Jetzt spricht Toshiba konkret von einer Leselatenz von weniger als 5 Mikrosekunden (µs) und vergleicht dies mit den rund 50 µs beim eigenen TLC-NAND. Die Architektur lässt sich aber auch als MLC-Variante mit mehr Bit pro Zelle und somit mehr Speicherplatz, allerdings zu Lasten der Leistung, umsetzen. Ebenso hat Toshiba eine Varianz bei der Zahl der Planes angedacht.

Debüt auf SSDs, auch NVDIMMs möglich

Zunächst soll der XL-Flash in SSDs eingesetzt werden, könne aber auch als nicht flüchtiges Arbeitsspeichermodul (NVDIMM) mit DRAM-Schnittstelle (DDR4?) Verwendung finden. Auch hier zeigen sich die Parallelen zum 3D XPoint. Inwieweit der XL-Flash bei Leistung und Haltbarkeit mit dem Phasenwechselspeicher mithalten kann, bleibt aber abzuwarten. Zumindest günstiger als „cross point type SCM“ (womit 3D Xpoint gemeint sein dürfte) und voraussichtlich deutlich günstiger als DRAM soll er sein.

XL-Flash
XL-Flash (Bild: Toshiba Memory)

Samsungs Z-NAND hat in Form der PCIe-SSD Samsung 983 ZET in einem ersten Test zwar eine sehr hohe Leistung für NAND-Flash gezeigt, konnte aber mit Intels 3D XPoint auf der Intel Optane DC P4800X nicht mithalten und war teils deutlich unterlegen. Beim Preis unterbietet Samsungs Z-NAND aber Intels 3D XPoint.

Samples im September, Massenproduktion 2020

Muster der SLC-Version mit 128 Gigabit sollen ab September zur Verfügung stehen. Die Massenproduktion des XL-Flash erwartet Toshiba aber erst für das kommende Jahr.

Prognosen von Marktforschern sind Anreiz genug, den Storage Class Memory als neue Stufe in der Speicherhierarchie von Computersystemen ernst zu nehmen. So führt Toshiba eine IDC-Studie an, die davon ausgeht, dass der SCM-Markt schon im Jahr 2022 die Hürde von 3 Milliarden US-Dollar nimmt.