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Flash-Speicher: SLC und pSLC als Garant für hohe Lebenserwartung

| Autor / Redakteur: Roger Griesemer und Ulrich Brandt * / Michael Eckstein

Im industriellen Einsatz sind häufige Beschreibbarkeit und Langzeitspeicherung von Daten wichtiger als möglichst viel Speicherplatz. Beides lässt sich auch im 3D-NAND-Zeitalter sicherstellen.

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Wenn man die Alterungsmechanismen von NAND-Chips verstanden hat, kann man die geeignete Speichertechnologie für die eigene Anwendung wählen.
Wenn man die Alterungsmechanismen von NAND-Chips verstanden hat, kann man die geeignete Speichertechnologie für die eigene Anwendung wählen.
(Bild: Swissbit )

3D-NAND mit 128 Lagen, Speicherzellen mit vier oder gar fünf Bits, alle zwei Jahre eine neue Generation – die Rekordmeldungen der NAND-Flash-Hersteller reißen nicht ab. Die Digitalisierung mit ihrem stetig wachsenden Datenaufkommen verlangt nach immer mehr Speicher zu immer niedrigeren Preisen. Doch der Fortschritt hat auch Schattenseiten: Beschreibbarkeit (Endurance) und Speicherfähigkeit (Retention) nehmen mit Einführung der neuen Technologien stetig ab.

Ursprünglich basierte NAND-Flash auf Speicherzellen, die jeweils nur ein Bit speichern konnten (SLC, Single-Level-Cell). Entsprechend musste der Controller nur zwei Spannungspegel unterscheiden können. Jede Zelle konnte rund 100.000 Mal gelöscht und neu beschrieben werden. Das erscheint zunächst viel, allerdings unterstützte die Firmware des Flash-Controllers nur eine rudimentäre Verteilung der Schreibzugriffe. Die Folge: Es entstanden Hot-Spots mit häufig beschriebenen Zellen, die zu einem frühzeitigen punktuellen Verschleiß und damit zu einem verhältnismäßig frühen Ausfall des Speichers führten. Erst mit Einführung von Wear-Levelling-Mechanismen, die die Schreibzugriffe gleichmäßig auf alle Flash-Bereiche verteilten, waren 100.000 Programmierzyklen ausreichend für den Einsatz in langlebigen Systemen.

Aus Kostengründen wurde die MLC-Technologie (Multi-Level-Cell) eingeführt. Diese hätte man eigentlich DLC (Double-Level-Cell) taufen müssen, denn mit vier Spannungspegeln lassen sich 2 Bits pro Zelle speichern. Aber man war damals wohl davon überzeugt, dass 2 Bits pro Zelle so anspruchsvoll seien, dass „multi“ langfristig für „zwei“ stehen wird. Ein Irrtum: Schon bald nach MLC tauchten TLC-Chips (Triple-Level-Cell) auf. Drei Bits pro Zelle und acht interne Pegel schienen dann erst einmal das Ende des Bitwachstums pro Zelle zu sein. Auch diese Annahme sollte nicht lange Bestand haben.

Unterschiede bei den Lösch- und Schreibzyklen

Die Zahl der möglichen Lösch-/Programmierzyklen je Speicherzelle unterscheiden sich stark bei den einzelnen Techniken: Bei MLC sind es typischerweise 3000, bei TLC 300, und auch moderne SLC-Chips erreichen bei 50.000 bis 60.000 Löschzyklen eine Grenze. Dies ist einer der Gründe, warum bislang alle drei Technologien parallel erhältlich sind und für unterschiedliche Anwendungszwecke genutzt werden:

  • SLC für schreibintensive, langlebige Anwendungen im Konsumgüter- und Industriebereich,
  • MLC für den Einsatz mit reduziertem Schreiben und häufigem Lesen und
  • TLC für günstige Geräte mit eher geringem Schreibaufkommen wie USB-Sticks oder Smartphone-Speicher, die meist im Consumermarkt zu finden sind.

Die rasant steigende Nachfrage nach mehr Speicherplatz hat dazu geführt, dass vermehrt TLC zum Einsatz kommt und hier auch die meisten Innovationen erfolgen, um letztlich immer kleinere und günstigere Chips herstellen zu können. Das zeigt sich auch bei den verwendeten Herstellungsverfahren der Halbleiter-ICs: Während die Prozessknoten auf SLC-Chips nicht kleiner als 20 nm sind, gibt es bereits MLC und TLC mit Prozessknoten im 10-nm-Bereich. Da die Größe und damit die Kosten pro Chip mit dem Quadrat dieser Technologiestrukturgröße einhergeht, ist ein 25-nm-SLC-IC allein aufgrund seiner Siliziumfläche deutlich teurer als ein 10-nm-TLC-Chip, der zudem drei Mal mehr Bits speichern kann.

Das erklärt, warum sich SLC zu einem Nischenprodukt entwickelt hat und MLC nur eine eingeschränkte Verbreitung fand. Dabei ist zu beachten: Je kleiner die Strukturen auf dem Chip, desto weniger Ladungsträger stehen je Zelle zum Speichern von Daten zur Verfügung. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass sich NAND-Speicherzellen nicht beliebig weit in Richtung kleine Strukturgrößen skalieren lassen.

Penta-Level-Cell-Flash unterscheidet 32 Spannungsniveaus pro Zelle

Bild 1: Je mehr Bits pro Zelle untergebracht werden, umso geringer sind die Abstände zwischen den Ladungsniveaus – degenerative Effekte machen sich schneller bemerkbar.
Bild 1: Je mehr Bits pro Zelle untergebracht werden, umso geringer sind die Abstände zwischen den Ladungsniveaus – degenerative Effekte machen sich schneller bemerkbar.
(Bild: Swissbit )

Die Einführung von 3D-NAND hat die NAND-Welt massiv verändert. Dabei werden mehrere planare Silizium-Dies gestapelt, wodurch die Speicherdichte pro Chip enorm zunimmt. Aufgrund verbesserter Zellkapazität und einer Vielzahl von Innovationen in den Speichercontrollern ist 3D TLC heute so robust und zuverlässig wie 2D MLC. Die Preisspirale dreht sich mittlerweile mit 4 Bits pro Zelle (QLC, Quad-Level-Cell) und den kommenden PLC (Penta-Level-Cell) weiter, bei denen es unglaubliche 32 interne Spannungspegel zuverlässig zu unterscheiden gilt. Der Gewinn durch die zusätzliche Anzahl von Bits nimmt jedoch stetig ab. Beim Übergang von SLC zu MLC gewann man 100 % Zuwachs der Speicherdichte, bei MLC zu TLC nur noch 50 %, bei TLC zu QLC 33 % und bei QLC zu PLC nur noch 25 %. Diese Entwicklung geht langsam in die Sättigung.

Im gleichen Maß wie sich die Zahl der Bits erhöht, sinkt umgekehrt proportional auch bei 3D-NAND die Zahl der möglichen Schreibzyklen. 3D-QLC entspricht ungefähr 2D-TLC, und 3D-PLC muss erst noch zeigen, was möglich ist. Voraussichtlich wird PLC nur noch für „Read-only“-Anwendungen geeignet sein. Anwendungen, die aufgrund eines hohen Schreibaufkommens eine Lebensdauer im Bereich von über 50.000 Zyklen benötigen, sind weiterhin auf SLC angewiesen – besonders, wenn die Schreibvorgänge aus kleinen Datenblöcken bestehen.

Bild 2: Vergleich der NAND-Flash-Technologien – nicht jede eignet sich für jeden Einsatz.
Bild 2: Vergleich der NAND-Flash-Technologien – nicht jede eignet sich für jeden Einsatz.
(Bild: Swissbit )

Die Preisschere geht jedoch immer weiter auseinander. SLC ist nur noch dort einsetzbar, wo die technischen Anforderungen und die Kosten für einen Austausch des Speichers so hoch sind, dass über die Lebensdauer die Gesamtproduktkosten mit SLC am niedrigsten sind.

p2SLC erreicht fast die Zuverlässigkeit von SLC

Nimmt man SLC wörtlich, so bedeutet dies, dass pro Zelle nur ein Bit abgespeichert wird. Und zwar unabhängig davon, wie viele Bits pro Zelle man in dem Produkt maximal abspeichern könnte. Man hat also einen neuen Betriebsmodus erfunden, den pSLC-(Pseudo-SLC-)Mode. Hierbei benutzt man eine Multi-Bit-Zelle (Multi in diesem Fall 2, 3, 4, ...) in einem Modus, der nur zwei Pegel benutzt, also das sogenannte MSB (Most Significant Bit). Damit wird der Störabstand in der Zelle erhöht und der Stress verringert, wodurch die Zelle häufiger gelöscht und neu programmiert werden kann. Bei MLC (2D) kann man die Anzahl der Löschzyklen von 3000 auf 20.000 Zyklen erhöhen, wenn man nur mit einem Bit arbeitet. Das bedeutet eine 7-mal höhere Endurance bei doppeltem Preis für die gleiche Kapazität – man hat ja nur noch die halbe Anzahl an Speicherbits zur Verfügung.

Durch ihre Spezialisierung auf Sicherheits- und Speicherlösungen für härteste industrielle Anforderungen bietet Swissbit seit mehreren Jahren fast alle Produkte mit MLC- und TLC-Chips auch im pSLC-Modus an. Dies umfasst SD-Karten, microSD-Karten, USB-Keys und Module, Compact Flash, CFast, SSDs in unterschiedlichen Bauformen sowie eMMC-Bauteile.

Parallel dazu gibt es weiterhin die gleichen Produkte mit echter SLC-Technologie sowie mit Standard-MLC-Modus. Swissbit adressiert damit die unterschiedlichsten Märkte: SLC für schreibintensive Anwendungen mit höchsten Anforderungen, pSLC als kostenoptimierte Version für hohes Datenvolumen und MLC sowie 3D-TLC als Standardprodukt mit hoher Zuverlässigkeit bei eingeschränktem Schreibvolumen. Zusätzlich hat Swissbit noch eine Variante entwickelt, die als p2SLC bei schreibintensiven Anwendungen nahezu die Endurance von herkömmlicher SLC-Technologie erreicht – bei einem Viertel des Preises.

pSLC bei 3D-NAND: Nicht- binäre Laufwerkskapazitäten

Bild 3: Wenn man die Alterungsmechanismen von NAND-Chips verstanden hat, kann man die geeignete Speichertechnologie für die eigene Anwendung wählen.
Bild 3: Wenn man die Alterungsmechanismen von NAND-Chips verstanden hat, kann man die geeignete Speichertechnologie für die eigene Anwendung wählen.
(Bild: Swissbit )

Auch bei 3D-MLC oder -TLC ist ein pSLC-Mode möglich. Aufgrund der besseren Zellen sind hier die Gewinne sogar noch größer. Garantiert werden statt 20.000 bei 2D-pSLC jetzt 30.000 bis 40.000 Zyklen bei 3D-pSLC. Mit dem SLC-Betrieb einer TLC-Zelle kommt ein neuer Aspekt zum Tragen: die an Zweierpotenzen ausgerichteten Kapazitäten. SSD-Nutzer sind gewohnt, dass die Laufwerkskapazitäten sich an binären Werten anlehnen: 128, 256, 512 GByte.

Einige Varianten sind geringfügig kleiner, um die Lebensdauer zu erhöhen: 120, 240, 480 GByte. Der pSLC-Betrieb einer MLC-Zelle ändert nichts daran. Schaltet man etwa eine 512-GByte-MLC-SSD in den pSLC-Modus, so erhält man bei gleichem Preis eine 256-GByte-SSD mit siebenfacher Endurance. Bei einer 512-GByte-TLC-SSD ergibt ein Drittel 170 GByte, eine bislang ungewohnte Kapazität. Will man eine 128-GByte-SLC-SSD ersetzen, gibt es kein direktes 3D-SLC-Pendant. Also reduziert man die 170 GByte zu 128 GByte und nimmt den ungenutzten Rest als Schreibpuffer und zur internen Optimierung der Zugriffe. Dieses Over-Provisioning erhöht die Endurance.

Jetzt kostet aber eine 128-GByte-pSLC-SSD so viel wie eine 512-GByte-TLC-SSD, ist also trotz billigem 3D-NAND nicht im gleichen Verhältnis günstiger geworden. Dennoch ist 3D-SLC ein idealer Ersatz für 2D-SLC-Technologie. Swissbit bietet mit allen neuen 3D-NAND-Produkten eine „Single Bit per Cell“-Variante an. Hier wird oft verkürzt von 3D-SLC gesprochen, da es reinen 3D-SLC (noch) nicht gibt.

Aufgrund des hohen Over-Provisionings und der hohen Löschrate ist ein Produkt im 3D-SLC-Modus ein idealer Ersatz für 2D-SLC- und 2D-pSLC-Produkte mit nahezu gleichen Eigenschaften und deutlich günstigerem Preis. Im Angebot sind die PCIe/NVME-M.2-SSDs N-16m2 und N-18m2, mit der X-76-Familie mehrere Formfaktoren von SATA Gen3 SSDs (2,5", mSATA, M.2, SlimSATA) und das USB-Modul U-58 mit 3D-SLC-Technologie.

Bestes Material intelligent genutzt

Für seine 3D-Produkte verwendet Swissbit NAND-Flash, das für industrielle Temperaturbereiche ausgelegt ist und eine sehr hohe Lebensdauer verspricht. Zusammen mit der hochwertigen Fertigung und strengsten QS-Maßstäben verlassen das Swissbit-Werk in Berlin sehr robuste Speichermedien. Doch wie die Ausführungen zu pSLC klar gemacht haben, ist auch die Art der Nutzung der Speicherzellen durch Kontroller und Firmware entscheidend für die Eignung in der jeweiligen Anwendung. Mit zusätzlichen Features wie DRAM-Unterstützung, Hintergrund-Refresh, Thermal Management sind Swissbit-3D-SLC-Speicherprodukte schnelle, zuverlässige und langlebige Lösungen zu attraktiven Preisen. Auch jenseits der bewährten 2D-SLC-Chips sind industrielle Memory-Lösungen möglich. Man muss nur wissen, wie man den Kapazitätszuwachs durch die 3D-NAND-Technik im Sinne von Endurance und Retention nutzt.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 6/2020 (Download PDF)

* Roger Griesemer ist General Manager Memory Solutions bei der Swissbit AG, Bronschhofen/Schweiz

* Ulrich Brandt ist ist Direktor Technisches Marketing bei der Swissbit AG, Bronschhofen/Schweiz

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