Größer und günstiger: Vierfache SSD-Kapazität bis 2029
Der Ingenieursverband IEEE hat eine Analyse und Roadmap(öffnet im neuen Fenster) zur Entwicklung der Speichermedien in den kommenden Jahren veröffentlicht. Darin prognostizieren die Ingenieure, dass sich die Speicherkapazität von SSDs bis zum Jahr 2029 vervierfachen werde. Die Kosten pro Terabyte sollen dabei weiter sinken, denn neue Fertigungs- und Chiptechnologien sorgten für mehr Kapazität pro Wafer.
Mit der Einführung von 3D-NAND wurde es Herstellern möglich, die Speicherkapazität durch immer mehr Schichten (Layer) stetig zu erhöhen. Diesen Trend sagt die IEEE zwar auch für die kommenden Jahre voraus, im Jahr 2027 soll NAND-Flash mit mehr als 500 Layern verfügbar sein. Grenzenlos weiterstapeln kann man aber nicht. Aktuelle High-End-SSDs sind mit NAND-Flash zwischen 172-Layern wie im Falle der Samsung 990 Pro und mit 232-Layern bei der Crucial T705 bestückt.
Mehr Schichten bedeuten aber auch, dass mehr Produktionsschritte pro Wafer notwendig sind und somit zusätzliche Kosten entstehen. Die Speicherhersteller arbeiten daher auch stets daran, die Dichte der Speicherzellen pro Fläche zu erhöhen, so dass die Kapazität pro Wafer steigt. Ebenfalls für mehr Kapazität pro Fläche sorgt die Technologie der Speicherzellen selbst. Aktuell üblich sind TLC- (Triple-Level-Cell) und QLC-Zellen (Quad-Level-Cell). Alle Technologien mit mehr als drei Bits pro Zelle (TLC) fasst die IEEE dabei unter TLC+ zusammen.
PLC wird eine Herausforderung für die Hersteller
Speicherzellen mit vier Bits pro Zelle (QLC) sind seit einigen Jahren verfügbar, fünf Bits pro Zelle wurden bereits demonstriert. Für mehr Speicherkapazität ohne große Kostensteigerung dürfte PLC kaum vermeidbar sein. Der Vorteil ist, dass die Produktionskosten hierbei kaum steigen, die zusätzliche Speicherkapazität lässt sich relativ kostenneutral realisieren. Bei der Entwicklung gibt es aber einige Herausforderungen, denn besonders die Haltbarkeit leidet mit jedem zusätzlichen Bit erheblich.
| Bits pro Zelle | Spannungslevel pro Zelle | Löschzyklen pro Zelle (mindestens) | Kommentar | |
|---|---|---|---|---|
| SLC | 1 | 2 | 50.000 bis 100.000 | kaum noch üblich |
| MLC | 2 | 4 | 10.000 | Einsatz in Rechenzentren |
| TLC | 3 | 8 | 3.000 | Standard für High-End-Desktop-SSDs |
| QLC | 4 | 16 | 1.000 | Standard für Budget- und High-Capacity-SSDs |
| PLC | 5 | 32 | 1.000 (?) | noch nicht in Serienfertigung |
SSD-Zellen werden für jeden Schreibvorgang zunächst gelöscht und anschließend neu beschrieben, ein sogenannter Programmierzyklus. Wenn nur ein Bit pro Zelle (SLC, Single-Level-Cell) gespeichert wird, ist das zwischen 50.000 und 100.000 Mal möglich, bevor die Zellen unzuverlässig werden und fehlerhafte Daten liefern können. Bereits zwei Bits pro Zelle senken die Lebensdauer auf nur noch etwa 10.000 Zyklen. Grund dafür ist, dass vier Spannungsniveaus präzise auslesbar sein müssen, um die möglichen Bit-Werte 00, 01, 10 und 11 darzustellen.
Auf den Einsatzzweck achten
QLC-NAND muss 16 Spannungsniveaus präzise genug halten können, damit die Bits mit Fehlerkorrektur zuverlässig auslesbar sind. Das ist nur etwa 1.000 Mal pro Zelle möglich. PLC verdoppelt die Anforderungen erneut. Ebenfalls ist die Schreibgeschwindigkeit bei vielen Bits pro Zelle sehr langsam, SSDs nutzen deshalb freie Bereiche als SLC-Cache, indem sie dort nur ein Bit pro Zelle schreiben und die Daten erst in Ruhephasen mit maximaler Dichte schreiben.
Aus diesem Grund eignen sich QLC und kommende PLC-SSDs nur für Anwendungsbereiche, in denen Daten selten geschrieben und häufig gelesen werden. Wenn aber häufig und viel geschrieben wird, etwa bei der Medienbearbeitung, großen Datenbanken oder KI-Modellen, sind QLC und PLC ungeeignet.