MRAM statt Supercaps: IBM-SSD sichert Daten mit nichtflüchtigem Speicher gegen Stromausfall

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MRAM gilt als vielversprechende Non-Volatile-Memory-(NVM)-Technik. IBM setzt sie in seinen neuen FlashCore-Modulen als „Power Loss Protection“ gegen Datenverlust bei einem Stromausfall ein.

Auf dem Flash Memory Summit in Kalifornien hat IBM seinen neuen Solid-State-Disks (SSD) der FlashCore-Modul-FCM)-Familie vorgestellt. Sie nutzen SST-MRAM (Spin-Transfer Torque Magnetoresitive Random Access Memory) von Hersteller Everspin als schnellen, nichtflüchtigen Arbeitsspeicher. Das MRAM ersetzt das sonst übliche dynamische RAM (DRAM) – zumindest teilweise. Als Schnittstellen beziehungsweise Übertragungsprotokoll kommt das schnelle Non-Volatile Memory Express (NVMe) zum Einsatz.

Praktisch jede Flash-basierte SSD verfügt über schnelles DRAM als Pufferspeicher für zu schreibende oder lesende Daten. Das Problem: Bei einem Stromausfall sind die im DRAM liegenden Daten verloren. Daher sind SSDs für den Enterprise-Markt – und auch einige Consumer-SSDs – mit großen Kondensatoren ausgestattet, die die Betriebsspannung über eine kurze Zeit halten können. Im Idealfall reicht diese „Power Loss Protection“ aus, alle im DRAM liegenden Daten ins nichtflüchtige Flash zu schreiben. Doch diese „Supercaps“ sind selbst eine zusätzliche Fehlerquelle im Massenspeicher.

Nichtflüchtiges MRAM ergänzt vergessliches DRAM

MRAM vereint die Vorteile von Flash und DRAM: Es kann Daten ähnlich schnell lesen und schreiben wie DRAM, behält jedoch anders als dieses auch bei einem Spannungsausfall die gespeicherten Daten. MRAM besteht aus einem Material, das beim Anlegen eines Magnetfeldes seinen elektrischen Widerstand ändert. Schaltet man das Magnetfeld ab, bleibt der aktuelle Zustand dauerhaft gespeichert. Größter Hersteller dieser MRAM-Speicherbausteine – es gibt auch andere wie Evaderis – ist das in Chalder im US-Bundesstaat Arizona ansässige Unternehmen Everspin.

Everspin spricht selbst vom ersten großen „Design-Win mit einem Top-Enterprise-Storage-Anbieter“ für seine 256-MBit-SST-MRAM. Der Speicherspezialist stellt diese im 40-nm-CMOS-Prozess her. IBM verwendet laut heise online in seinen SSDs der FCM-Serie jeweils vier MRAM-Bausteine, was insgesamt 128 MByte entspricht. Das ist zu wenig, um lokales DRAM vollständig zu ersetzen. Ein auf der Veranstaltung gezeigtes Slide offenbart laut anandtech.com denn auch, dass je nach Modell zusätzlich 8 oder 16 GB DRAM verbaut sind.

MRAM für die Sicherung, DRAM für das Tempo

Ist der MRAM-Einsatz also nur ein Marketing-Gag? Nein. Statt direkt die Umsetzungstabellen (Mapping-Tabellen) vorzuhalten, legt die SSD-Firmware nur die Änderungen in dem verhältnismäßig kleinen MRAM ab. Daraus lässt sich bei Bedarf – etwa nach einem Stromausfall – der letzte Zustand wiederherstellen.

Die FCM basieren auf 3D-TLC-NAND-Speicherbausteinen (Triple Level Cell) mit 64 Layern und sind mit einer unkomprimierten Speicherkapazität von bis zu 19,2 TByte erhältlich. IBM stattet die Module mit einer Kompressionstechnik aus, wodurch die Kapazität nach eigenen Angaben auf bis zu 45 GByte steigt.

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