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Die Wahl des passenden Flash- Speichers zur richtigen Anwendung

Autor / Redakteur: Johannes Hentschel * / Sebastian Gerstl

Gerade in industriellen Anwendungen ist die Wahl des richtigen Flashspeichers nicht trivial. Es gilt, sich vorher gründlich über Bausteineigenschaften und Einsatzbedingungen zu informieren.

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Formfaktor, Temperaturbereich, Schreib/Lesezyklen: Bei der Auswahl des Flashspeichers müssen zahlreiche Faktoren bedacht werden, ehe man zu einem Produkt greift.
Formfaktor, Temperaturbereich, Schreib/Lesezyklen: Bei der Auswahl des Flashspeichers müssen zahlreiche Faktoren bedacht werden, ehe man zu einem Produkt greift.
(Bild: Transcend)

Wer sich noch nicht eingängig mit dem Thema Flash und seiner Funktionsweise beschäftigt hat, wird sich wundern, was es alles bei der Auswahl des richtigen Flash zu berücksichtigen gilt. Während sich der durchschnittliche User zu Hause an Faktoren wie Preis pro GByte oder Übertragungsgeschwindigkeiten orientiert, steht ein Einkäufer im industriellen Bereich vor einem weitaus komplexeren Entscheidungsfindungsprozess.

Das liegt zum einen an den durchaus größeren Auswahlmöglichkeiten an Chips und Funktionalitäten, die einem industriellen Anwender von Seiten der Hersteller angeboten werden, zum anderen aber auch an den individuellen Anforderungen und den Einsatzszenarien, die ihm idealerweise der Entwickler mit an die Hand gibt. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass Anwender verstehen, welche unterschiedlichen Arten von Flash es gibt und welche Faktoren die Haltbarkeit eines Flash-Produkts determinieren.

Nicht jeder Flashspeicher ist gleich

Aufgrund unterschiedlicher Technologien und Fertigungsmöglichkeiten zwischen Flash-Herstellern gibt es Unterschiede in Qualität und Zuverlässigkeit von Flash-Chips. Als Halbleiterprodukt wird NAND-Flash aus einem Siliziumwafer hergestellt, der in Scheiben geschnitten wird und aus denen wiederum sogenannte Flash-Dies herausgetrennt werden. Vor der Auslieferung führt jeder Flash-Hersteller seine eigene Qualitätsprüfung und die finalen IC-Packing-Tests durch. So erklärt sich, dass es verschiedene Qualitäten von Flash gibt.

Unabhängig davon unterscheidet man grundsätzlich drei Typen von NAND Flash: SLC, MLC und TLC. Als proprietäre Lösung hat Transcend zusätzlich die sogenannten SuperMLC Technologie entwickelt, die eine speziell entwickelte Firmware nutzt um 2-bit MLC Flashzellen lediglich mit einem Bit zu programmieren. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Unterschiede.

NAND Typen SLC SuperMLC
(SLC-mode)
MLC TLC
Bit/Zelle 1 1 2 3
Leistung Am besten
Sehr gut
Gut Durchschnitt
Haltbarkeit
(P/E-Zyklen)
50K 30K 3K <1K
Zuverlässigkeit
(Datenerhalt)
Am besten
Sehr gut
Gut Durchschnitt
Stromverbrauch Niedrig Niedrig Durchschnitt Durchschnitt
Kosten $$$$$ $$$ $$ $
Einsatzgebiete In Fällen, in denen die Lebensdauer wichtiger ist als die Kosten Deutlich günstiger als SLC, leistungsstärker als MLC Verwendet in SSDs und den meisten Industrie-Produkten Hauptsächlich verwendet in Consumer-Produkten

SLC ist äußerst haltbar und performant, allerdings angesichts der MLC-Alternative mittlerweile für viele Anwendungen zu teuer. SuperMLC verbindet die Vorteile von SLC und MLC und ist eine kosteneffektive Lösung mit einer sehr guten Haltbarkeit, Performance und Zuverlässigkeit.

Die Haltbarkeit des Flash ist durch die Anzahl der P/E-Zyklen (Programmier-/Lösch-Zyklen) definiert, die eine Flashzelle während ihrer Lebensdauer verträgt.

Die Haltbarkeit des fertigen Flash-Produktes wird in TBW (Terabyte Written) gemessen und ist nicht nur vom verwendeten Flash-Typ abhängig sondern wird durch weitere Faktoren, wie dem verwendeten Controller, der Firmware und Umweltfaktoren beeinflusst, in denen das Produkt zum Einsatz kommt.

Industrie- versus Consumer-Produkte

Jedes Flashprodukt hat seine eigene Betriebstemperatur und sollte nicht außerhalb dieses Rahmens zum Einsatz kommen, um Fehler beim Schreiben zu vermeiden und die Bitfehlerrate zu minimieren. Hohe Temperaturen beschleunigen zudem die Alterung und reduzieren die Haltbarkeit. Spezieller Wide-Temperature-Flash ermöglicht die Herstellung von Produkten, die - anders als Consumer-Produkte mit herkömmlichem Flash - auch bei extremen Temperaturen einen fehlerfreien Betrieb gewährleisten.

Neben den unterschiedlichen Flash-Typen können Speicherprodukte für Industriekunden auch mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet werden. Durch individuell angepasste Controller und Firmware lässt sich das Speicherprodukt auf die Anforderungen der entsprechenden Applikation zuschneiden. Power Fail Mechanismen bieten zum Beispiel einen Schutz vor plötzlichen Spannungsschwankungen und versorgen den Controller mit ausreichend Strom um die Inhalte des Zwischenspeichers in den non-volatilen Flashspeicher zu schreiben.

Weitere Individualisierungsmöglichkeiten können auch die Bauweise und die Verarbeitung des finalen Speicherproduktes betreffen um einen langlebigen Einsatz in industriellen Anwendungen zu ermöglichen. Durch eine Schutzlackversiegelung oder das Underfill-Verfahren kann beispielsweise die Struktur der verbauten Komponenten gestärkt und der Schutz vor äußeren Einflüssen verbessert werden. Auch eine angepasste SSD Lifetime-Monitoring Software, welche die spezifischen Anforderungen von Industriekunden berücksichtigt, unterscheidet ein Industrieprodukt von seinem Consumer-Pendant. Dass jedes einzelne Flash-Produkt vor der Auslieferung aufwändig getestet wird, versteht sich für seriöse Anbieter von Industriespeicherprodukten von selbst.

Abgesehen von den Produkteigenschaften und zusätzlichen Features, nehmen aber auch Services eine sehr wichtige Rolle. Wer ein Flashspeicherprodukt für den industriellen Einsatz kauft, erhält im gleichen Atemzug eine intensive Beratungsleistung vor dem Kauf sowie während der Nutzungsdauer. Da die Evaluation einer Speicherlösung in der Regel viel Zeit und Ressourcen in Anspruch nimmt, sind Kunden bei Projekten, die eine Langzeitverfügbarkeit erfordern, auf Services wie fixed BoM, PCN-/ECN-/EOL-Notices und LTB Handling oder Flash Roadmaps angewiesen. Darüber hinaus muss gewährleistet sein, dass etwaige RMA-Fälle aufwändig analysiert und schnell abgewickelt werden.

Industrieprodukte Consumer-Produkte
Produkt Flash-Typ flexibel
SLC, SuperMLC, MLC
fix
MLC oder TLC
Besonderheiten diverse
z.B. Wide Temperature Flash, hochentwickelte Kondensatoren
keine
Controller/Firmware individualisierbar Standard
Features wählbar
z.B. Intelligent Power Shield, Hardware Purge
Standard
Produktanpassung diverse
z.B. Schutzlackversiegelung, Underfill, AES-Verschlüsselung, TCG Opal, Anti-Schwefel-Technologie
nicht möglich
Software professionell
mit erweiterten Einstellungsmöglichkeiten
Standard
mit Basisfunktionen
Service Kaufberatung
intensiv, individuell
direkt vom Hersteller
eher allgemein
von der Website, Medien, Händler
Langzeitverfügbarkeit ja
Fixed BoM, PCN-/ECN-/EOL-Notices, Last-Time-Buy, Roadmaps
keine
Support tiefgreifende Analysen
z.B. FAE Unterstützung, 8D Reports
Support von geschultem Fachpersonal

Hinter all diesen Faktoren steht natürlich ein erheblicher Zeit- und Kostenaufwand, so dass mit dem höheren Preis ein weiterer Unterschied zwischen Industrie- und Consumer-Flash-Produkten resultiert.

Fallstudien – wie wähle ich den korrekten Speicher?

Da die Plattformen von Industriekunden über mehr als fünf bis zehn Jahre ihre Dienste verrichten müssen, ist es essentiell, dass die Wahl des Flash-Produktes wohl durchdacht ist und Umweltfaktoren sowie der konkrete Anwendungsfall mit in die Betrachtung einfließen. Folgende drei Fallbeispiele verdeutlichen, welche unterschiedlichen Kriterien und Anforderungen in den jeweiligen Situationen die Wahl des Speichers beeinflussen.

Fall 1: Es gilt zu ermitteln, welcher Flashspeicher für ein medizinisches Tablet geeignet ist, auf dem die Gesundheitsdaten von Patienten gespeichert werden. 8 GByte Speicherplatz sollen in Form einer Speicherkarte zum Einsatz kommen. 10% der Daten werden sequenziell geschrieben, 90% zufällig. Es werden pro Tag 10 GByte Daten erfasst. Die Betriebs-/ Lagerungstemperatur liegt bei 10°C – 28°C.

Da es sich um eine schreibintensive Anwendung handelt, ist Endurance das wichtigste Kriterium. Die Gesamtschreibleistung der Flash-Speicherkarte lässt sich folgendermaßen ermitteln: Haltbarkeit des Produkts = (Verfügbare Kapazität x Haltbarkeit des Flash in Program-Erase-Zyklen) / (Schreibverstärkung (WAF))

Dank einer Beratung des Herstellers kann der Entwickler die Schreibverstärkung (engl.: WAF für Write Amplification Factor) für die jeweiligen Flash-Typen in Erfahrung bringen. Der WAF ist ein Maß für die Effizienz eines Controllers und wirkt sich auf die Endurance des Speicherprodukts aus. Je geringer der Wert des WAF desto besser ist das für die Haltbarkeit des Flashmediums: Schreibverstärkung (WAF) = (vom Host kommende Datenmenge) / (tatsächlich in den Flash geschriebene Datenmenge)

Flash-Typ TLC MLC SuperMLC SLC
Verfügbare Kapazität
7,6 GByte
7,6 GByte 7,6 GByte 7,6 GByte
Flash Endurance
(P/E-Zyklen)
500 3.000 30.000 50.000
WAF 1,8 1,3 1,2 1,1
Gesamtschreibtleistung
(TBW)
2111 GByte
17,53 TByte
185,55 TByte
337,36 TByte
Tägliches Schreibvolumen
10 GByte 10 GByte 10 GByte 10 GByte
Lebensdauer 211 Tage
4,8 Jahre
52 Jahre
94,5 Jahre

Anschließend lassen sich die TBW-Werte errechnen und gegenüberstellen. Bei einem täglichen Schreibvolumen von 10 GByte ist bei einer Verwendung von MLC-Flash eine Lebensdauer von knapp fünf Jahren zu erwarten, was für den genannten Anwendungszweck ausreichend sein sollte. SuperMLC Flashspeicher, der nur einen Bit in der MLC Flashzelle anspricht, wäre eine kostengünstige Alternative, wenn die 5 Jahre nicht ausreichen sollten. Angesichts der hohen Preise für SLC-Flash ist eine solche Speicherkarte trotz längerer Lebenserwartung wirtschaftlich nicht sinnvoll.

Fall 2: Ein Einkäufer ist auf der Suche nach einem USB-Stick, der vertrauliche Daten enthält und als Authentifizierung für den Zugriff auf das Sicherheitssystem dient.

1 GByte Daten werden einmalig gespeichert und es werden keine weiteren Schreibzugriffe auf den Stick vorgenommen. Für das System ist eine Laufzeit von 10 Jahren vorgesehen um sensible Informationen zu schützen. Es handelt sich bei den Zugriffen effektiv zu 100% um Lesezugriffe. Die Lesefrequenz beträgt 50 Lesezyklen pro Tag, die Betriebs-/ Lagerungstemperatur 10°C – 28°C.

Da der Speicherstick nur einmal mit Daten beschrieben wird und danach lediglich Lesezugriffe auf den Flash-Datenträger erfolgen, spielt die Haltbarkeit in diesem Fall eine untergeordnete Rolle. In Anwendungen mit vielen Lesezugriffen muss allerdings die Gefahr von Read Disturbance bei der Wahl des Speichers berücksichtigt werden. Unten stehender Tabelle können wir entnehmen, dass etwa SLC über 1.000.000 Lesezyklen ohne Read Disturbance Fehler übersteht. Geteilt durch die Zahl der täglich durchgeführten Lesezugriffe, erhält man die zu erwartende Lebensdauer des Speichermediums.

Die Angabe der Lebensdauer zeigt, dass SLC für die betrachtete Anwendung der richtige Speichertyp ist. Ein USB-Stick mit TLC-Speicher könnte schon im ersten Jahr einen Datenverlust erleiden, der auf Read Disturbance zurückzuführen ist. Dadurch könnten die auf dem Hardware Key gespeicherten Daten beschädigt werden und der Zugriff auf das Sicherheitssystem könnte nicht mehr gewährt werden.

Flash-Typ TLC MLC SLC
Workload from Host
100% Lesen
100% Lesen 100% Lesen
Anzahl der Lesezyklen
50 pro Tag
50 pro Tag 50 pro Tag
Flash-Lesezyklen
(exemplarisch)
10.000 100.000 1.000.000
Lebensdauer 200 Tage
5,5 Jahre
54,7 Jahre

Fall 3: Ein Produktmanager benötigt Solid State Disks für den Einsatz in NAS- und Webservern. Die SSDs werden verwendet um Daten zu speichern und zu berechnen. Die SSDs müssen mehr als zwei Jahre in einer Serverapplikation arbeiten und der Produktmanager möchte prüfen, ob sich 256GByte MLC SSDs für seine Zwecke eignen.

Die Plattform verwendet die SSDs als Betriebssystemlaufwerk und um Videomaterial da-rauf aufzuzeichnen. Die Firma betreibt eine Vielzahl von Servern und möchte gern baugleiche SSDs für die zwei verschiedenen Serverapplikationen einsetzen. Der ein Webserver zeichnet sich wie folgt aus: Zugriffsverhalten: 90% sequenzielles Schreiben / 10% zufälliges Schreiben; Größe der transferierten Daten: 1, 16, 64 KByte; Täglich geschriebene Datenmenge: 600 GByte. Der NAS-Server zeichnet sich folgendermaßen aus: Zugriffsverhalten: 100% zufälliges Schreiben; Größe der transferierten Daten: 4 KByte; Täglich geschriebene Datenmenge: 400 GByte. Die Betriebs-/ Lagerungstemperatur liegt konstant bei 23°C.

Da NAS-Server viele zufällige Schreibvorgänge zu verarbeiten haben, erhöht dies den WAF und verringert so bedingt die Haltbarkeit des Speichermediums. Durch die Berechnung der Gesamtschreibleistung der 256GByte MLC SSD und einer anschließenden Berücksichtigung der täglichen geschriebenen Datenmenge, findet man heraus, dass ein solcher Datenträger in der Webserver-Applikation nur knapp unter zwei Jahren fehlerfrei arbeitet. In der NAS-Server Applikation hätte die SSD sogar eine noch kürzere Lebensdauer, obwohl die Webserver-Applikation täglich mehr Daten auf das Speichermedium schreibt, dies aber vermehrt sequenziell tut. Der Fall zeigt, wie sich das Verhalten der Host-Applikation auf den WAF und damit verbunden auf die Lebensdauer des Flashspeichermediums auswirkt. Um die geforderte minimale Dauer von 2 Jahren einhalten zu können, bleibt dem Produktmanager entweder die Wahl einer MLC SSD mit höherer Kapazität oder einer SSD mit SuperMLC Flashspeicher.

Applikation Webserver NAS
Flash-Typ MLC MLC
Verfügbare Kapazität
244 GByte
244 GByte
Flash-Endurance (P/E-Zyklen)
3.000 3.000
WAF 1,8 5,3
Gesamtschreibleistung (TBW)
397 TByte
135 TByte
Tägliches Schreibvolumen
0,59 TByte
0,39 TByte
Lebensdauer 1,86 Jahre
0,95 Jahre

Fazit

Die Fallbeispiele zeigen, dass die korrekte Wahl eines Flashspeichers keine triviale Angelegenheit ist, da viele Faktoren einen Einfluss auf die Haltbarkeit des Flash-Produktes haben. Sicherlich müssen Einkäufer in heutiger Zeit einen Blick auf die Kosten haben, jedoch sollte der Preis nicht das ausschlaggebende Kriterium bei der Entscheidung für eine Speicherlösung sein. Denn gerade im industriellen Bereich können Stillstandzeiten, die durch den Ausfall eines Speicherproduktes entstehen, schnell sehr hohe Kosten verursachen. Dann droht die günstigste Speicherlösung im Handumdrehen zur teuersten Komponente im gesamten Design zu werden. Insofern ist es unabdingbar sich vor dem Einsatz eines Speicherproduktes sorgfältig über spezielle Eigenheiten der entsprechenden Applikation oder herausfordernde Umweltbedingungen zu informieren und sich ausführlich vom Speicherhersteller beraten zu lassen.

* Johannes Hentschel ist Marketing Manager bei Transcend.

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