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Embedded Computer und Touch Panel Computer

Flash-Speicher und Langlebigkeit: Immer Probleme mit dem Speicher

Flash-Speicher bieten viele Vorteile gegenüber Harddisks. Nachteilig sind hingegen deren beschränkte Schreib- und Lesezyklen. Trotzdem eignen sie sich für Industrieanwendungen, die eine lange Lebensdauer voraussetzen. Wichtig ist nur zu wissen, wovon sie abhängt.


Weltweit gibt es nur eine Handvoll Unternehmen, die Flash-Zellen für SSD-Speicher (Solid State Drive) herstellen. Allein 40 Prozent der Weltproduktion fallen auf Toshiba, den Erfinder des NAND-Flash. Der größte Teil der Produktion wird von der Unterhaltungselektronik nachgefragt. Entsprechend hoch ist der Kostendruck. Um konkurrenzfähig zu bleiben, verkleinern die Flash-Hersteller die Zellen und erhöhen die Datendichte, man spricht von Die-Shrinking. Dadurch werden die Produktionskosten gesenkt. Weil Flash-Zellen nur eine begrenzte Anzahl Schreib- und Lesezyklen (Endurance) verkraften, leiden durch die hohe Speicherdichte aber Langlebigkeit und Zuverlässigkeit. Frühzeitige Ausfälle oder Datenfehler sind die Folge. Entsprechend lohnt es sich bei anspruchsvollen Industrieanwendungen, in echte Industrial-Grade-Speicher zu investieren.

Lange Zeit waren SLC-Speicher (Single Level Cell) ein Garant für Langlebigkeit. Im Gegensatz zu den im Consumer-Bereich vorherrschenden MLC- und TLC-Speichern (Multi/Triple Level Cell) wird bei SLC-Speichern nur ein Bit pro Zelle gespeichert. Bei MLC-Speichern sind es deren zwei, bei TLC-Speichern sogar drei Bits pro Zelle. Entsprechend werden die einzelnen Flash-Zellen von SLC-Speichern wesentlich weniger belastet als bei MLC- und TLC-Speichern, was sich positiv auf die Lebensdauer des Speichermediums auswirkt.

Seit jedoch auch die Flash-Zellen für SLC-Speicher stetig kleiner werdende Shrinks aufweisen, gibt es selbst bei SLC-Speichern massive Unterschiede in Sachen Langlebigkeit. Um die Langzeitqualitäten von SSD-Speichern zu beurteilen, lohnt es sich, die Technologie von Flash-Speichern zu verstehen.

So funktionieren Flash-Speicher
Flash-Speicher funktionieren mittels eines Transistorkanals (Source–Drain) und zwei Gates, einem Control Gate und einem Floating Gate. Das Floating Gate ist mittels einer Oxidschicht von Control Gate und Transistorkanal isoliert. Werden mittels Speicherspannung Elektronen durch die Oxidschicht hindurch in das Floating Gate gedrückt (Tunneleffekt), werden sie dort permanent gehalten, auch ohne Spannung.

Zum Auslesen der Speicherzelle wird Spannung an den Transistor gelegt und der Strom, der zwischen Source und Drain fließt, gemessen. Ist das Floating Gate geladen, es befinden sich also viele Elektronen im Floating Gate, wird der Zustand Null ausgelesen. Das, weil kein Strom zwischen Source und Drain fließt.

Mittels Löschspannung können die Elektronen wieder freigesetzt werden. Befinden sich also wenig Elektronen im Floating Gate, wird der Zustand Eins ausgelesen, weil Strom zwischen Source und Drain fließt.

SLC-Speicher kennen nur zwei Ladungszustände, fast keine oder sehr viele Elektronen im Floating Gate. Bei MLC-Speichern werden mit unterschiedlichen Spannungsniveaus vier verschiedene Ladungszustände pro Zelle gespeichert, das entspricht 2 Bits. Bei TLC-Speichern sind es sogar acht Ladungszustände, also 3 Bits.

  • <p>Die Funktionsweise einer SLC-NAND-Flash-Zelle.</p>

    Die Funktionsweise einer SLC-NAND-Flash-Zelle.

Darum haben MLC- und TLC-Speicher eine niedrigere Lebensdauer als SLC-Speicher
SLC-Flashzellen mit Abnutzungserscheinungen sind wesentlich länger auslesbar als MLC- oder TLC-Zellen mit Abnutzungserscheinungen. Bei nur zwei Ladungszuständen fällt die Zuordnung leicht, selbst wenn der Ladungszustand nicht mehr so deutlich ausfällt wie bei einer neuwertigen Zelle. Bei vier, respektive acht Ladungszuständen ist die Zuordnung im Vergleich wesentlich schwieriger. Bereits kleine Abnutzungserscheinungen reichen und die Ladungszustände können nicht mehr zugeordnet werden. Entsprechend lassen SLC-Speicher eine vielfach höhere Anzahl an Schreib- und Lesezyklen pro Flash-Zelle zu als MLC- und TLC-Speicher.

Es kommt eben doch auf die Größe an – von 43 bis 14nm
Ein weiterer Faktor für die Lebensdauer von Flash-Speichern ist die Größe der NAND-Zellen. Der Abnutzung von Flash-Speichern liegt das Zersetzen der Oxidschicht zugrunde. Je größer die Chip-Fläche ist, desto mehr Platz bleibt für die NAND-Flash-Zellen. Das ermöglicht eine dicke Oxidschicht, welche sich langsamer abnutzt als eine dünne. Entsprechend haben große NAND-Bausteine eine höhere Lebensdauer als kleine.

Aktuell haben die größten erhältlichen SLC-NAND-Zellen noch eine Größe von 43nm. Dabei handelt es sich um die langlebigsten NAND-Zellen auf dem Markt – aber auch um die teuersten. Neben den 43nm-SLC-NAND bieten die Hersteller SLC-NAND in den Größen 32, 24, 21 und 14nm.

Zwischen der Lebensdauer der größten 43nm-NAND und der kleinsten 14nm-NAND liegen Welten. Die 14nm-NAND sind sogar kleiner als die 15nm-NAND, welche aktuell für MLC-Speicher (Multi Level Cell) im Consumer-Bereich eingesetzt werden.

Wear Leveling verlängert Lebensdauer von Flash-Speichern
Neben Typ und Größe der NAND-Flash-Zellen gibt es weitere Faktoren, welche die Lebensdauer von Flash-Speichern beeinflussen. Dazu zählt Wear Leveling, ein im Flash-Controller integriertes Feature. Dieses sorgt dafür, dass Flash-Zellen gleichmäßig abgenutzt werden, indem Schreibzugriffe gleichmäßig auf die Flash-Zellen verteilt werden. Weil bereits die Abnutzung einzelner Flash-Zellen zu Datenfehlern führen kann, beeinflusst Wear Levling die Lebensdauer eines Speichers maßgelblich.

Hersteller von industriellen Flash-Speichern integrieren in ihren Flash-Controllern eine Kombination aus statischem und dynamischem Wear Leveling. Das heisst, dass einerseits Schreibzugriffe auf die am wenigsten abgenutzten Zellen verteilt werden. Andererseits sorgt das Wear Leveling dafür, das statische Daten, die nicht oder selten geändert werden, von Zeit zu Zeit verschoben werden. Dadurch wird sichergestellt, dass sämtliche Flash-Zellen am Wear Leveling teilnehmen.

Große Speichergrößen verlängern indirekt die Lebensdauer
Mit intelligenten Wear-Leveling-Algorithmen wird die Lebensdauer von Flash-Speichern erhöht. Der Unterschied zwischen SLC-, MLC- und TLC-Speichern bleibt dabei bestehen. Syslogic als Herstellerin von Embedded Computern und HMI-Systemen setzt in ihren Geräten vorwiegend SLC-Flash-Speicher des taiwanesischen Herstellers Cactus Technologies ein. Diese bauen auf 43- oder 32nm-NAND-Zellen von Toshiba auf, den größten noch erhältlichen NAND-Zellen. Entsprechend sind die Speicher wesentlich haltbarer und robuster als die meisten auf dem Markt erhältlichen Flash-Speicher. Gerade bei hochkomplexen Industrieanlagen oder bei Fahrzeugen ist es ärgerlich, wenn ein Speicher Probleme verursacht. Entsprechend lohnt sich die Investition in SLC-Speicher.

Bei preisempfindlichen Anwendungen oder bei Anwendungen, bei denen die Langlebigkeit weniger wichtig ist, bietet Syslogic auf Wunsch die MLC-Speicher von Cactus an. Diese können den SLC-Varianten zwar nicht das Wasser reichen, gehören aber dank ausgeklügelter Firmware und hochwertigen Flash-Zellen zu den zuverlässigsten MLC-Speichern am Markt. Eine Möglichkeit, die Lebensdauer indirekt zu erhöhen, ist der Einsatz von Speichern mit großer Speicherkapazität. Dadurch sind eine hohe Zahl an Flash-Zellen am Wear Leveling beteiligt, was die Lebensdauer des Speichers indirekt verlängert.

Langlebigkeit und Flash-Speicher – so macht man nichts falsch

Kurz zusammengefasst, lohnt es sich bei der Evaluation von Flash-Speichern, folgende drei Punkte zu klären. 1. Verfügen die Speicher über SLC-, MLC-, oder TLC-Flash-Zellen? 2. Wie groß sind die verwendeten Flash-Zelllen? 3. Ist der Anbieter der Flash-Speicher im Industriemarkt verankert?

TLC-Speicher eignen sich in der Regel nicht für den Industrieeinsatz. Die Entscheidung, SLC- oder MLC-Speicher, ist stark von der Anwendung abhängig. SLC-Speicher empfehlen sich, wenn die Lebensdauer sehr wichtig ist und die benötigte Speicherkapazität nicht all zu hoch ist. Sie sind in Puncto Lebensdauer unerreicht. Entsprechend kommen sie sehr lange ohne Wartung aus, müssen also nicht ersetzt werden. Gleichzeitig sind SLC-Speicher aber deutlich teurer als MLC-Speicher.

Bei Industrieanwendungen, die nicht ganz so hohe Anforderungen an die Lebensdauer stellen, können MLC-Speicher durchaus eine attraktive Alternative sein. Dabei lohnt es sich auf einen Hersteller mit Industrieerfahrung zurückzugreifen. Wie erwähnt, lässt sich mit großen Speicherkapazitäten die Lebensdauer von MLC-Speichern indirekt verlängern.

Geht man bei der Evaluation vorsichtig vor, erfüllen Flash-Speicher die hohen Ansprüche der Industrie in Puncto Langlebigkeit ideal. Moderne Flash-Speicher verfügen zudem über ausgeklügelte Kontroll-Algorithmen, welche den Speicherzustand permanent überwachen. Zeichnet sich das Ende eines Flash-Speichers ab, kann frühzeitig reagiert werden. Damit lassen sich Feldausfälle erfolgreich vermeiden – und damit auch jede Menge Frust und Ärger.

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