NAND Flash 101: Vereinfachte SSD-Formfaktoren für Unternehmen

Author Louis Liao | 23. August 2021 | Alle, NAND-Flash 101, Technologie

Heutige Unternehmensrechenzentren stehen ständig vor der einzigartigen Herausforderung, Leistung, Geschwindigkeit und Kühleffizienz mit begrenztem Platz im Server-Rack in Einklang zu bringen. Beim Thema Lagerung ist es noch wichtiger, die richtige Balance zu finden. Eines der Haupthindernisse für dieses Gleichgewicht sind jedoch die Formfaktoren. Viele herkömmliche Formfaktoren wurden für Festplattenlaufwerke (HDDs) und nicht für Solid State Drives (SSDs) entwickelt. Daher fehlt ihnen die Kühleffizienz und Speicherkapazität, die für große Rechenzentren erforderlich sind. Nachfolgend finden Sie eine NAND-Flash-Übersicht, die diese Herausforderungen bespricht und Lösungen bietet, die Sie bei der Entscheidungsfindung in Ihrem Rechenzentrum unterstützen.

Nand Flash

NAND-Flash ist eine Art nichtflüchtiger Speicher. Daher ist keine ständige Stromversorgung erforderlich, um gespeicherte Daten zu speichern. Genau wie bei der Festplatte gehen die Daten nicht verloren, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Darüber hinaus bietet NAND-Flash schnellere Lese-, Schreib- und Löschgeschwindigkeiten als typische Festplatten. Außerdem verfügen sie über eine höhere Flächendichte und verbrauchen weniger Strom als Festplatten.

Aktuelle Herausforderungen bei Enterprise Storage

Mit dem Aufkommen von Solid State Drives (SSDs) für Verbrauchertechnologie erkannten Unternehmen die Vorteile der Umstellung von herkömmlichen Festplattenlaufwerken (HDDs) auf SSDs. Zu den Vorteilen von SSDs gehören:

- - Langlebiger als Festplatten
  - Schnellere Übertragungsgeschwindigkeit
  - Leistungsstärker und energieeffizienter
  - Praktischer in der Größe

Trotz dieser Vorteile ist die Umstellung auf diese effizienteren Antriebe nicht ohne Herausforderungen. Die Formfaktoren dieser Laufwerke stellen besondere Herausforderungen für Unternehmensrechenzentren dar. SSD-Gehäuse gibt es in den Formfaktoren 2,5 Zoll und 3,5 Zoll, die der Größe von Festplatten entsprechen. Dies erleichtert Unternehmen den Übergang zu SSDs ohne wesentliche Änderungen an der Infrastruktur.

Allerdings war das mechanische Design von 2,5-Zoll- und 3,5-Zoll-Gehäusen ursprünglich für rotierende Medien wie Festplatten konzipiert. Dadurch blockieren sie den Luftstrom und schränken die Skalierbarkeit von SSDs ein. Diese Herausforderungen förderten neue Technologien, um den Anforderungen des Unternehmensrechenzentrums besser gerecht zu werden.

NAND-Flash: Der M.2-Formfaktor und seine Überlegungen

Der M.2 ist ein NAND-Flash-Formfaktor (früher als Formfaktor der nächsten Generation bekannt) und eine intern montierte Erweiterungskarte, die über einen M.2-Steckplatz direkt in das Motherboard gesteckt wird. M.2 wurde ursprünglich für mobile Plattformen und Verbrauchergeräte entwickelt, bei denen der Platz begrenzt war. Aufgrund ihrer geringen Größe sind M.2 ideal für Unternehmensserver.

Herausforderungen mit M.2

Eine der wichtigsten Anforderungen an ein Rechenzentrum ist die Fähigkeit zur Hyperskalierung. Daher sind Speicherkapazität und thermische Optimierung von entscheidender Bedeutung. Leider schränkt die Größe von M.2 die Skalierbarkeit der Kapazität und die Kühleffizienz ein. Darüber hinaus ist M.2 nicht Hot-Plug-fähig, sodass es schwierig ist, das System während der Laufzeit zu warten.

NAND-Flash: Die Entwicklung von Add-in-Karten (AICs) zum PCIe-SSD-Formfaktor

Mit der Weiterentwicklung der Technologie ist im Laufe der Jahre der Bedarf an Geschwindigkeit und Leistung beim Rechnen gestiegen. Add-in-Karten (AICs), auch PCIe-Karten (Peripheral Component Interconnect Express) genannt, tragen diesen Fortschritten Rechnung, indem sie eine Schnittstelle bieten, um Komponenten über einen PCIe-Steckplatz direkt an das Motherboard anzuschließen.

PCIe-Karten erhöhen die Bandbreite

Eine PCIe-Karte kann eine höhere Leistung bieten als M.2. Allerdings nutzt M.2 x4-Steckplätze, während die PCIe-Karte x8- oder sogar x16-Steckplätze nutzen kann, um die Bandbreite zu erhöhen.

Optimierte Kühleffizienz

SSDs mit AIC-Formfaktor eignen sich besser für Hochleistungsanwendungsfälle. (Abbildung 3) PCIe-Karten bieten außerdem eine größere Fläche für die Platzierung weiterer NAND-Flash-Pakete und optimieren gleichzeitig die Kühleffizienz. Viele Anbieter bieten PCIe-Karten-SSD-Lösungen mit Kühlkörper und Lüftern an, um die Temperatur niedrig zu halten und sicherzustellen, dass die SSD mit voller Geschwindigkeit läuft.

Nachteile von PCIe-Karten

PCIe-Karten werden normalerweise im Servergehäuse installiert, was die Wartung erschwert. Für die Wartung dieses Kartentyps müssten Sie die Abdeckung des Servers entfernen, um auf das Gerät zugreifen zu können.

Obwohl diese Karten eine höhere Leistung bieten, müssen Sie auf einen PCIe-Steckplatz verzichten. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Steckplätzen im Rack sind diese normalerweise für Geräte mit höheren Bandbreitenanforderungen als SSDs (z. B. Grafikkarten) reserviert. Daher würden SSDs mit AIC-Formfaktor nur dann installiert werden, wenn die Arbeitslast eine so hohe Leistung erfordert.

NAND Flash: EDSFF als Formfaktor der nächsten Generation

Obwohl die oben genannten NAND-Flash-Formfaktoren ihre Vorteile haben, sind sie nicht für Unternehmensrechenzentren optimiert. Daher wurde eine neue Familie von Formfaktoren für SSD namens EDSFF geboren. EDSFF steht für Enterprise and Data Center SSD Form Factor. Dieser Formfaktor wurde speziell für Unternehmens- und Rechenzentrumsanwendungen entwickelt. Diese Familie von NAND-Flash-Formfaktoren besteht aus mehreren Varianten: (Abbildung 4)

- - E1.S
  - E1.L
  - E3

Zu den Zielen von EDSFF gehören:

- - Mehr Leistung liefern
  - Ermöglicht Hot-Swapping
  - Erhöhung der Lagerkapazität und -dichte pro Rackeinheit
  - Reduzierung der Kühlkosten

Welche Probleme löst EDSFF?

EDSFF löst das Problem, den Platz im Server-Rack zu maximieren und gleichzeitig eine Kühleffizienz zu ermöglichen. Es unterstützt auch die Skalierbarkeit für zukünftige Erweiterungen. Mit SFF-TA-1002-Anschlüssen kann EDSFF PCIe x4-, x8- und x16-Lanes und bis zu 112 Gbit/s-Signalisierung unterstützen.

EDSFF ist bereit für die Zukunft

Angesichts dieser Funktionen kann EDSFF PCIe 4.0 und PCIe 5.0 unterstützen und wir können davon ausgehen, dass EDSFF mit PCIe 6.0 kompatibel ist. Darüber hinaus wurde EDSFF in SNIA zum NAND-Flash-Formfaktorstandard und wurde von OCP übernommen. Jeder große SSD-Anbieter unterstützt EDSFF und bringt SSD-Produkte mit EDSFF auf den Markt. Phison entwickelt mit EDSFF auch SSD-Produkte für Unternehmen, die bald auf den Markt kommen werden.

EDSFF E1.S

E1.S ist die beliebteste der drei Varianten der EDSFF-Familie. Sein mechanisches Design soll die Verwendung von M.2-Laufwerken im Rechenzentrum ersetzen. (Abbildung 5) Es bietet eine höhere Dichte und höhere Leistung bei gleichzeitig geringer Größe.

Der E1.S in Form eines Gummistäbchens passt vertikal in einen 1-HE-Raum. Ein 1U-Speicherserver kann bis zu 32 E1.S-Speicherlaufwerke unterstützen.[1] Dadurch kann das Rechenzentrum die Speicherkapazität skalieren und das Daten- und Anwendungswachstum unterstützen.

Aufgrund der 12-V-Versorgung kann E1.S einen höheren Leistungspegel als M.2 aufnehmen und den Spannungsregler von 12 V auf 3,3 V einsparen. Eine höhere Leistungsstufe kann jedoch dazu führen, dass die SSD heiß wird, insbesondere wenn die SSD mit höchster Leistung läuft. Daher reserviert E1.S Befestigungslöcher für fünf verschiedene Kühlkörperdicken, um die Kühleffizienz zu verbessern und den erforderlichen Luftstrom zu verringern. (Abbildung 6) 5,9 mm Dicke mit blanker PCBA und 8,01 mm Dicke mit Wärmeverteiler eignen sich für Anwendungsfälle mit geringerem Stromverbrauch.

Für einen Stromverbrauch von bis zu 20 W kann ein 9,5 mm dickes symmetrisches Gehäuse verwendet werden, wodurch das Gerät wie eine verkürzte Version von E1.L aussieht. Für einen Anwendungsfall mit noch höherer Leistung kann ein asymmetrisches Gehäuse mit einer Dicke von 15 mm oder 25 mm verwendet werden, um die Wärme effizienter abzuleiten. Dichte und Kühleffizienz widersprechen sich immer. Microsoft Azure ist der Ansicht, dass ein asymmetrisches 15-mm-Gehäuse eine gute Balance zwischen 9,5 mm und 25 mm Dicke darstellt. Eine Dicke von 9,5 mm bietet nicht genügend Kühlung, während ein 25-mm-Gehäuse zu viel Platz einbüßt.

EDSFF E1.L

E1.L, früher als Lineal bekannt, hat die Form eines langen Lineals und ist für 1U-Server optimiert. Der maximierte Platz auf der Platine kann mehr NAND-Flash-Pakete unterstützen und die Kühleffizienz verbessern.

Normalerweise verwenden wir den U.2-Formfaktor für Laufwerke mit großer Kapazität, aber manchmal werden die U.2-Laufwerke mit großer Kapazität mit zwei umgeklappten Leiterplatten gebaut. Die Komponenten im Inneren liegen wie in der Mitte eines Sandwiches und die Hitze dieser Komponenten lässt sich nur schwer abkühlen.

E1.L löst das thermische Problem, indem es die gesamte Fläche auf die Oberfläche verteilt und zwei Dickenoptionen für das Metallgehäuse bietet. (Abbildung 7) Im Vergleich zum U.2-Formfaktor ist nur 55% weniger Luftstrom erforderlich, und auch die Stromkosten werden erheblich gesenkt. [2] E1.L ist der NAND-Flash-Formfaktor mit der höchsten Speicherdichte. Ein einzelner 1U-Speicherserver voller E1.L-Laufwerke kann eine Kapazität von 1 PB erreichen. Unternehmensrechenzentren können E1.L nutzen, um die Dichte zu erhöhen und gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten (TCO) zu senken.

EDSFF E3

Der größte Unterschied zwischen E3 und den anderen NAND-Flash-Formfaktoren der EDSFF-Familie ist die Form. Es ähnelt dem herkömmlichen 2,5-Zoll-Formfaktor, ermöglicht jedoch bis zu x16 PCIe-Lanes und 70 W Leistung.

E3 ersetzt den U.2-Formfaktor

Der E3 wurde entwickelt, um den 2,5-Zoll-U.2-Formfaktor durch die Vorteile zu ersetzen, die U.2 nicht bietet. Die Formähnlichkeit ermöglicht einen einfachen Übergang von U.2 zu E3. Einige Serveranbieter bieten Gehäuselösungen an, die sowohl U.2 als auch E3 unterstützen und es dem Rechenzentrum ermöglichen, die Speichergeräte schrittweise von U.2 auf E3 zu übertragen, anstatt alle U.2-Geräte auf einmal auszutauschen.

E3-Größen

E3 ist sowohl für 1U- als auch für 2U-Server optimiert und in vier verschiedenen Formfaktoren erhältlich. E3.L, E3.S und entweder in einfacher oder doppelter Breite. (Abbildung 8) Die Industrie bezeichnet einfache Breiten als „1T“ und doppelte Breiten als „2T“. T steht für Dicke. 2T wird aufgrund der besseren Wärmeableitung normalerweise für Hochleistungsgeräte verwendet, bei denen mehr Wärme erzeugt wird, z. B. für Rechenspeicher und Speicher mit hoher Kapazität.

Flexibilität mit dem E3

E3 ist auch von innen flexibel. Eine kleine E1.S-PCBA passt in ein E3-Gehäuse, sodass Speicher mit geringer Kapazität und E3-Formfaktor die E1.S-PCBA nutzen könnte, um die Kosten zu senken. (Abbildung 9) Darüber hinaus unterstützt E3 nicht nur SSD; Es kann mehrere Gerätetypen wie persistenten Speicher, GPU, NIC usw. unterstützen.

Die Zukunft oder EDSFF

EDSFF gewinnt schnell mehr Anwender. Dieser vielseitige Formfaktor erfüllt die Anforderungen des Rechenzentrums an Dichte, Leistung, Kapazität, Leistung und Kühlung. Daher bauen SSD-Anbieter neben Serveranbietern neuere Infrastrukturen auf, um EDSFF zu unterstützen.

Obwohl der Übergang zum EDSFF einige Herausforderungen mit sich bringt; Beispielsweise sollte das Servergehäuse so umgestaltet werden, dass es zu EDSFF passt. Schätzungen zufolge wird EDSFF in Zukunft weit verbreitet sein und veraltete 2,5-Zoll- und M.2-Formfaktoren übernehmen. (Abbildung 10)

Um den Speicherplatz zu optimieren und gleichzeitig Leistung, Geschwindigkeit und Kühleffizienz in Einklang zu bringen, müssen Unternehmen den Formfaktoren von Speicherlaufwerken mehr Aufmerksamkeit schenken. Obwohl es viele davon gibt, eignen sich nur wenige ideal für den Einsatz im Rechenzentrum. Der EDSFF ist die nächste Generation von Speicherformfaktoren, die nur minimalen Platz beanspruchen und dennoch Speicheroptionen mit hoher Dichte und hoher Leistung bieten.