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Embedded Computer und Touch Panel Computer

Endurance und Retention: NAND-Flash-Speicher für die Ewigkeit?

Wie spielen Endurance und Retention zusammen? Wie wird die Lebensdauer von Flash-Speichern beeinflusst? Wie werden Alterungserscheinungen abgeschwächt?


Den richtigen Flash-Speicher für industrielle Anwendungen auszuwählen, ist eine anspruchsvolle Angelegenheit. Es gibt unzählige Anbieter von industrietauglichen und vermeintlich industrietauglichen Flash-Speichern. Die Speichermedien basieren auf unterschiedlichen Technologien und die Anbieter operieren mit unterschiedlichen Kennzahlen, die sich in vielen Fällen nicht vergleichen lassen. Kein Wunder also, dass es Kunden schwer fällt, den richtigen Speicher zu finden.

Eine bedarfsgerechte Evaluation fällt wesentlich einfacher, wenn man die Funktionsweise von NAND-Flash-Speichern kennt. Im folgenden Beitrag erläutern wir nicht nur die Funktion von Flash-Speichern, sondern auch die wichtigsten Faktoren, welche die Langlebigkeit von Flash-Speichern beeinflussen.

Der Unterschied zwischen Endurance und Retention

Bei IT-Anwendungen im Consumer-Markt sind es neben dem Preis vor allem die Schreib- und Lesegeschwindigkeit, die als Kaufkriterium gelten. Bei Industrieanwendungen heißen die wichtigsten Kriterien Robustheit und Langlebigkeit. Dabei dreht sich alles um die Begriffe Endurance und Retention. Endurance bezeichnet die Lebensdauer von Flash-Speichern, daher die mögliche Anzahl Schreib- und Löschzyklen. Die Retention bezeichnet die Lebensdauer der gespeicherten Daten, daher die Dauer, in der die Daten gespeichert bleiben, ohne Schaden zu nehmen. Sowohl Endurance als auch Retention hängen nicht allein vom Flash-Speicher, sondern auch von der jeweiligen Anwendung ab. Wie sind die Umgebungsvoraussetzungen? Werden große oder kleine Datenmengen geschrieben und gelesen? Gibt es häufige Schreib- oder Lesezugriffe?

Alterungseffekte von NAND-Flash-Zellen
Bei Flash-Speichern werden Informationen in NAND-Zellen gespeichert. Diese 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. Die Oxidschicht verhindert also, dass die Elektronen wieder abfließen.

  • <p>Je mehr Schreib-/Löschzyklen eine NAND-Zelle aufweist, desto mehr nimmt die Data Retention ab.</p>

    Je mehr Schreib-/Löschzyklen eine NAND-Zelle aufweist, desto mehr nimmt die Data Retention ab.

  • <p>Hohe Temperaturen verschlechtern die Data Retention von NAND-Zellen.</p>

    Hohe Temperaturen verschlechtern die Data Retention von NAND-Zellen.

  • <p>Die Abnahme der Data Retention bei hohen Temperaturen: Single Level Cell (SLC) und Pseudo SLC im Vergleich mit Multi Level Cell NAND.</p>

    Die Abnahme der Data Retention bei hohen Temperaturen: Single Level Cell (SLC) und Pseudo SLC im Vergleich mit Multi Level Cell NAND.

  • <p>Je mehr Schreib-/Löschzyklen eine NAND-Zelle aufweist, desto mehr nimmt die Data Retention ab.</p>
  • <p>Hohe Temperaturen verschlechtern die Data Retention von NAND-Zellen.</p>
  • <p>Die Abnahme der Data Retention bei hohen Temperaturen: Single Level Cell (SLC) und Pseudo SLC im Vergleich mit Multi Level Cell NAND.</p>

NAND-Zellen verschleißen mit der Zeit. Dabei gibt es hauptsächlich zwei Alterungseffekte. Zum einen ist das die Verschiebung der Schwellenspannung. Bei jedem Löschvorgang sammeln sich durch die Löschspannung Elektronen mit erhöhtem Energieniveau in der Oxidschicht an. Dadurch wird die Schwellenspannung verschoben, die Zelle wird nach und nach unlesbar. Zum andern entstehen in der Oxidschicht mit der Zeit Lecks, durch welche Ladung abfließt. Entsprechend verliert die Zelle ihren Ladungszustand, die Retention nimmt dadurch ab. Lecks in der Oxidschicht treten insbesondere gegen Ende der zu erwartenden Anzahl Schreib- und Löschzyklen auf. Begünstigt werden solche Lecks durch hohe Temperaturen. Zudem gilt: Je dicker die Oxidschicht ist, desto langsamer bilden sich Lecks. Entsprechend haben NAND-Zellen mit einer großen Struktur eine höhere Lebensdauer als solche mit einer kleinen Strukturgrösse. Die Bandbreite bei industriellen Flash-Speichern reicht aktuell von 43 bis 14 Nanometer.

Die Retention – also die Zeit, in der Daten ohne Schaden zu nehmen, gespeichert bleiben – beträgt bei einer neuwertigen NAND-Zelle rund zehn Jahre. Gegen Ende des Lebenszyklus liegt der Wert bei nur noch einem Jahr. Das gilt sowohl für Single-Level-Cell- als auch für Multi-Level-Cell-NAND. Allerdings verschleißen MLC-NAND wesentlich schneller als SLC-NAND. Entsprechend verschlechtert sich die Retention bei MLC-NAND schneller als bei SLC-NAND. Sind SLC-NAND für 100000 Schreib- und Löschzyklen gut, erreichen MLC-Speicher nur 3000.

  • <p>Die Verschiebung der Schwellenspannung und die Bildung von Lecks in der Oxidschicht sind Alterserscheinungen bei NAND-Flash.</p>

    Die Verschiebung der Schwellenspannung und die Bildung von Lecks in der Oxidschicht sind Alterserscheinungen bei NAND-Flash.

Flash-Controller schwächt Alterungserscheinungen ab
Die Hersteller von Flash-Speichern entschärfen die Abnützungserscheinungen mit verschiedenen im Flash-Controller integrierten Features. Eines der wichtigsten ist Wear Leveling. 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.

Lesefehler sind aber nicht allein auf abgenützte NAND-Zellen zurückzuführen. Eine weitere Ursache kann Read Disturb sein. Darunter versteht man, dass beim Lesen einer Zelle auch die benachbarten Zellen gestresst werden. Ihre Ladung schwächt sich leicht ab. Um diesem Effekt entgegenzuwirken integrieren Speicherhersteller wiederum Funktionen im Controller. So werden pro NAND-Block die Lesezugriffe gezählt. Wird ein definierter Wert überschritten, werden die Daten gelöscht und auf einem anderen Block neu geschrieben. Man spricht hier von Read Wear Leveling. Die beiden Beispiele zeigen, wie wichtig der Controller für die Endurance und Retention von Flash-Speichern ist.

Die bedarfsgerechte Evaluation ist entscheidend
Wer für Industrieapplikationen Flash-Speicher evaluiert, ist gut bedient, wenn er die Parameter kennt, welche die Endurance und Retention beeinflussen. Syslogic vertreibt ausschließlich Flash-Speicher von ausgewiesenen Industriespezialisten. Besonders beliebt für anspruchsvolle Anwendungen sind die Speicher von Cactus Technologies. Das taiwanesische Unternehmen hat sich voll und ganz der Industrie verschrieben. Das vollständige Produktportfolio bietet sowohl SLC- als auch pSLC- und MLC-Speicher (Single Leve Cell, Pseudo Single Level Cell oder Multi Level Cell). Die Flash-Speicher von Cactus Technologies zeichnen sich durch die Verwendung von hochwertigen A-Grade-NAND, durch einen ausgeklügelten Flash-Controller und durch eine Fixed BOM (Bill of Matrerial) aus. Die Fixed BOM stellt neben der langen Lebensdauer auch die lange Verfügbarkeit sicher. Die Speicher von Cactus gehören zu den langlebigsten Flash-Speichern am Markt. Sie werden weltweit von namhaften Unternehmen in Märkten wie Automation, Railway, Automotive oder Healthcare eingesetzt. Cactus übernimmt für seine Kunden die spezifischen Branchenzertifizierungen. Sei es ISO/TS16949 für Automotive- oder EN50155 für Railway-Anwendungen.

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