Haltbarkeit industrieller Flash-Laufwerke verbessern

| Autor / Redakteur: Lena Harman * / Michael Eckstein

Bitverteiler: Je ausgereifter die Algorithmen des Speichercontrollers zum Schreiben von Daten sind, desto haltbarer und leistungsfähiger lässt sich ein Flash-Speicher konstruieren.
Bitverteiler: Je ausgereifter die Algorithmen des Speichercontrollers zum Schreiben von Daten sind, desto haltbarer und leistungsfähiger lässt sich ein Flash-Speicher konstruieren. (Bild: Hyperstone)

Mit den richtigen Techniken sind Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit keine Eigenschaften, die sich gegenseitig ausschließen. Auch alte Formfaktoren von Flash-Speichern können davon profitieren.

In industriellen Anwendungen spielt die Zuverlässigkeit gegenüber der Leistungsfähigkeit die wichtigere Rolle. Daher kommen hier besonders hochwertige Flash-Speicherlaufwerke zum Einsatz. Da industrielle Systeme länger als zehn Jahre in Betrieb sind, sind alte Formfaktoren wie CompactFlash-(CF)-Laufwerke in Industriezweigen wie der Automatisierungs-, Energieversorgungs- und Telekommunikationstechnik weiterhin verbreitet.

Ein alter Formfaktor ist jedoch nicht gleichzusetzen mit veralteter Technologie. Fortschritte beim FTL (Flash Translation Layer) und Mapping, Wear Leveling und ECC (Fehlerkorrektur-Code) haben es in neueste Flash-Controller für CF-Speicherkarten geschafft. Diese neuen Controller ermöglichen den Einsatz günstigerer NAND-Flash-Speicher in diesen alten Formfaktoren und somit höhere Speicherkapazitäten.

Während heutige Client- und Enterprise-Speichermedien primär SATA- und PCIe-basierte Schnittstellen verwenden, sind CF und PATA im Industriebereich immer noch stark verbreitet. CF gibt es seit 1994 und wurde ständig verbessert. Das Speicherformat ist kompatibel zu PCMCIA- und IDE-Schnittstellen und dient als einfache Möglichkeit zur Integration von Flash-Speicher. Auch heute noch kommt es in digitalen Spiegelreflexkameras (DSLR) von Canon und Nikon sowie in Netzwerkroutern und Industrieanwendungen zum Einsatz.

Bewährtes bewahren: CompactFlash heute

CF ist populär, weil es ein leicht austauschbares, langlebiges Flash-Laufwerk ist. Dank des robusten Gehäuses ist es widerstandsfähiger als dünne SD-Karten. Im Gegensatz zu herkömmlichen 2,5-Zoll-PATA-, SATA- oder M.2-PCIe-Flash-Laufwerken ist CF so konzipiert, dass es mehrfach ein- und ausgesteckt werden kann. Ohne Schulung kann ein Mitarbeiter das Flash-Laufwerk an einem Router oder einem Industriesystem entnehmen, um zum Beispiel die Firmware zu aktualisieren oder Inhalte zu kopieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen HDD-Formfaktoren erübrigt sich ein separates Stromkabel, da die Stromversorgung über die Anschlüsse erfolgt.

In älteren Systemen dienen CF-Laufwerke entweder als Flash-Speichermedien der ersten Generation oder als Ersatz für Festplatten. Diese Systeme benötigen meist keine hohen Geschwindigkeiten, dafür aber eine stabile Speicherlösung und zuverlässigen Ersatz. Lebensdauer ist wichtiger als die Leistungsfähigkeit. Während die Lebenszyklen von Consumerelektronik oft in Monaten gemessen werden, muss industrieller Speicher jahrelang funktionieren. Für diese Systeme sind industrielle Speicherlösungen wie die F2-Flash-Controller von Hyperstone, die seit 15 Jahren hergestellt werden, am sinnvollsten.

Gute "Wear Leveling"-Algorithmen sind entscheidend

Moderne CompactFlash-Speicher bieten hohe Leistungsfähigkeit, Speicherkapazität, Sicherheit und Zuverlässigkeit, die mit SATA-Laufwerken vergleichbar ist. Gleichzeitig sind sie robust, lassen sich einfach installieren und entnehmen. Fortschrittliche CompactFlash-Controller wie die F9-Serie von Hyperstone machen das möglich. Die Lebensdauer ist ein wichtiger Faktor bei industriellen Flash-Laufwerken. Grundsätzlich lassen sich Flash-Speicherzellen nicht beliebig oft beschreiben. Daher ist das „Wear Leveling“ so wichtig: Ausgeklügelte Schreibalgorithmen sorgen dafür, dass die Speicherzellen über das gesamte Laufwerk hinweg gleichmäßig beansprucht werden, anstatt wiederholt an denselben Stellen zu schreiben. Damit wird die maximale Lebensdauer einer SSD erzielt.

Alle Flash-Speichermedien müssen Dateisystemzugriffe auf physikalische Flash-Zugriffe zuordnen (Mapping). Ältere austauschbare Flash-Laufwerke ordnen Daten meist in einem blockbasierten Mapping zu, da sich dieses relativ grobe (Large-Grain) Mapping einfacher umsetzen lässt. In der Vergangenheit waren Flash-Blockgrößen relativ klein, was den blockbasierten Mapping-Overhead akzeptabel machte. Dies gilt jedoch aufgrund heutiger Blockgrößen und im Hinblick auf die Lebensdauer von Flash-Speichern (Endurance) nicht mehr. Was im Detail sehr komplex ist, lässt sich einfach so sagen: Blockbasiertes Mapping führt zu häufigem Löschen von Blöcken aufgrund von Remapping – selbst wenn nur eine kleine Menge von Daten tatsächlich vom System geschrieben wurde. Dies wird als „hohe Schreibverstärkung“ bezeichnet.

Günstige MLC- und 3D-NANDs für industrielle Anwendungen

Moderne Flash-Controller wie der hyMap-Baustein von Hyperstone führen Datenzugriffe auf einer wesentlich feingranulareren Basis durch – kleiner als ein Block oder sogar eine Seite. Das erfordert zwar mehr Datenverarbeitung im Flash-Controller, verlängert jedoch die Lebensdauer des Laufwerks erheblich. Zusammen mit hyMap hat Hyperstone eine moderne BCH-Fehlerkorrektur (basierend auf Bose-Chaudhuri-Hocquenghem-Code) implementiert, die zur neuesten Flash-Technologie kompatibel ist und den Einsatz günstigerer MLC- oder 3D-NANDs mit hoher Speicherkapazität ermöglicht – auch in industriellen Anwendungen.

Die Möglichkeit, neueren Flash mit höherer Speicherdichte zu verwenden, erhöht nicht nur die Speicherkapazität, sondern ermöglicht auch einen größeren Datendurchsatz. Da sich die Flash-Programmierzeit jedoch verlängert hat, verlangsamt sich die Geschwindigkeit vor allem bei kleinen Datenschreibvorgängen. Durch die Fortschritte in der Controller- und Schnittstellentechnik sowie durch den vergrößerten Pufferspeicher erreichen industrielle CompactFlash-Karten eine Lese-/Schreibgeschwindigkeit von 120 MB/s.

Mapping-Informationen im nichtflüchtigen Speicher

SSDs nutzen einen temporären Puffer für Mapping-Daten und Firmware-Tabellen. Damit stellen sie fest, welche Flash-Blöcke gelöscht wurden und wie oft. Die meisten SSDs speichern diese Informationen temporär in flüchtigem DRAM-Speicher. Bei einem Stromausfall können diese Metadaten verloren gehen. Industrielle SSDs benötigen einen robusten Schutz gegen Stromausfall. Einige SSDs sind daher mit Superkondensatoren als Backup-Stromquelle versehen. Dieser Ansatz ist jedoch teuer, und die Kondensatoren können mit der Zeit ausfallen. Daher ist es besser, Mapping-Informationen vollständig im nichtflüchtigen Speicher abzulegen.

Zusammen mit einem transaktionsbasierten Protokoll lässt sich sicherstellen, dass Daten immer erfolgreich in das Flash geschrieben werden und die Kohärenz der Mapping-Tabelle aufrechterhalten wird. Neben dem Risiko eines Ausfalls und einer geringeren Robustheit birgt DRAM auch ein erhebliches Beschaffungsrisiko. Schnelle Lebenszyklen und ein schwankendes Angebot können dazu beitragen, dass damit bestückte SSDs schneller veralten und extremen Preisschwankungen unterworfen sind.

Moderne CF-Speicherkarten ermöglichen zudem ein „Health Monitoring“ des Flash-Laufwerks mittels SMART (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology). Betriebssysteme, die SMART unterstützen, können die Anzahl der freien Blöcke, der Löschvorgänge, die Gesamtzahl der geschriebenen logischen Blockadressen (LBAs) und andere wichtige Informationen über den Zustand des Laufwerks überprüfen. Damit lässt sich die Abnutzung überwachen und das Laufwerk lange vor dem Ende seines Lebenszyklus ersetzen.

Während Consumer- und Enterprise-Anwendungen auf andere Formfaktoren umstellen, ist CF in vielen Industrieanwendungen weiterhin im Einsatz. Die robusten und einfach zu installierenden CF-Speichermedien machen die Technik äußerst langlebig. Heute stehen CF-Laufwerke zur Verfügung, die auf dem neuesten Stand der Technik sind und trotzdem ältere Anforderungen erfüllen. Neue Flash-Controller ermöglichen schnelle und leistungsstarke CF-Laufwerke mit besseren Leistungs- und Zuverlässigkeitsdaten als je zuvor. Kurzum: Manchmal kann man einem alten Hund doch noch neue Tricks beibringen.

* Lena Harman ist Marketing Coordinator von Hyperstone

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