Alterung und Retention von Flash

Data Care Management für industrielle Anwendungen

| Autor / Redakteur: Ulrich Brandt * / Sebastian Gerstl

Eine alternde Zelle: In der Tunneloxidschicht sammeln sich Elektronen, wodurch sich allmählich die Schwellwertspannung verschiebt. Risse im Tunneloxid schaffen Leckstrompfade, durch die Ladung abfließen kann. Die Lesefehler nehmen zu, bis der gesamte Block als „Bad Block“ ausgemustert werden muss.
Eine alternde Zelle: In der Tunneloxidschicht sammeln sich Elektronen, wodurch sich allmählich die Schwellwertspannung verschiebt. Risse im Tunneloxid schaffen Leckstrompfade, durch die Ladung abfließen kann. Die Lesefehler nehmen zu, bis der gesamte Block als „Bad Block“ ausgemustert werden muss. (Bild: swissbit)

Flash-Speicher verfällt mit zunehmenden Alter. Wie schnell, ist von unterschiedlichen Faktoren abhängig. Sorgfältiges Data Care Management kann die Lebenszeit und Zuverlässigkeit aber enorm verlängern.

Flash-Speicher wird durch die Benutzung verbraucht. Wie schnell dies geschieht, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Die Verwendung von Elektronikkomponenten mit erweitertem Temperaturbereich und robuste Verarbeitung sind typische Anforderungen für Speicherkomponenten im industriellen Einsatz. Noch wichtiger aber ist meist, dass die Medien über längere Zeit Daten zuverlässig erhalten. Geht es um die Langlebigkeit, ist die aktive Mithilfe des Controllers gefragt: Die interne Arbeitsweise ist entscheidend dafür, wie lange ein Flash-Speicher beschreibbar bleibt und wie lange er keine Daten verliert.

Um dies nachvollziehen zu können, muss man verstehen, wie Flash-Speicher altern.

Schleichender Verfall im Flash-Speicher

Zellen eines NAND-Flashs überstehen nur eine begrenzte Zahl von Löschungen. Die Löschspannung erzeugt einen Tunneleffekt, durch den die Elektronen aus dem Floating Gate oder Charge Trap Layer, in dem sie gespeichert sind, herausgezogen werden. Über viele Löschzyklen sammeln sich dabei auch in der Oxidschicht Elektronen mit erhöhtem Energieniveau an. Damit verschiebt sich auf Dauer die Schwellwertspannung, bis die Zelle nicht mehr lesbar ist.

Ein weiterer Alterungseffekt: Es entstehen leitende Pfade durch die Oxidschicht. Dadurch verliert die Zelle allmählich ihren Ladungszustand und damit das gespeicherte Bit. Dieser Effekt verstärkt sich durch hohe Temperaturen: Untersuchungen an einem 25-nm-MLC-NAND haben gezeigt, dass die Retention nach fünf Jahren bei 55 °C auf ca. 75 % fällt. Bei 85 °C fällt sie unter 10 %. Der Effekt wird zudem mit der Zeit immer stärker, je mehr sich die Zelle ihren maximalen Programmier-/Lösch-Zyklen (P/E-Zyklen) nähert.

Die Auswirkung auf die Retention ist gewaltig: Kann man sowohl bei einem Single-Level-Cell- wie bei einem Multi-Level-Cell-NAND ursprünglich von einer Retention von zehn Jahren ausgehen, liegt sie am Ende des Lebenszyklus nur noch bei einem Jahr. Dieser Punkt ist beim MLC nach 3000 P/E-Zyklen erreicht, beim SLC erst nach 100.000 P/E-Zyklen. Auch deshalb ist SLC in besonders anspruchsvollen Anwendungen so beliebt.

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