Fertigungs- und Testverfahren

Speicher mit industriellem Temperaturbereich für IIoT-Anwendungen

| Autor / Redakteur: David Raquet und Nicolas Leng* / Sebastian Gerstl

Reliability Demostration Test (RDT): Wiederholte Lese-/Schreib-Burn-In-Tests dienen dazu, schwache Flash-Blöcke in MLC-Bausteinen zu identifizieren und zu eliminieren.
Reliability Demostration Test (RDT): Wiederholte Lese-/Schreib-Burn-In-Tests dienen dazu, schwache Flash-Blöcke in MLC-Bausteinen zu identifizieren und zu eliminieren. (Bild: ATP)

MLC-Flash gilt besonders in hohen Temperaturbereichen als fehleranfälliger als die geläufigeren SLC-Bausteine. Doch mit den richtigen Test- und Fertigungsmethoden wird auch MLC fit fürs industrielle IoT.

In den kommenden Jahren werden mehrere Milliarden Geräte miteinander verbunden werden und dabei große Mengen an Daten aus Sensoren oder anderen Instrumenten verarbeiten. IIoT-Applikationen (Industrial Internet of Things) werden künftig vermehrt auf Cloud-Datenspeicher zugreifen. Gleichzeitig wird ein Teil der Daten lokal in Edge-Computing-Zentren verarbeitet und gespeichert. Hieraus ergeben sich automatisch höhere Anforderungen an das Rechenzentrum in Bezug auf Leistung und Zuverlässigkeit. Die Herausforderung hierbei ist allerdings, dass Edge Computing Zentren in der Regel in abgelegenen Regionen und unter schwierigen Umweltbedingungen operieren.

Speziell für Anforderungen wie aus dem Edge Computing hat ATP seine MLC Speicherlösungen mit industriellem Temperaturbereich entwickelt. Diese bieten gewohnt hohe Zuverlässigkeit durch strenges IC Level Screening und umfangreiche Temperaturtests über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich. Dadurch wird sichergestellt, dass ATP’s iTemp MLC Produkte sowohl in dauerhafter Kälte als auch Hitze zuverlässig funktionieren, was bisher eine Domäne von teurem SLC-NAND war.

Einfluss durch NAND-Flash- Charakteristik und Temperatur

Häufig wird fälschlicherweise angenommen, dass ein Speichermedium, welches aus Komponenten mit industriellem Temperaturbereich besteht, automatisch selbst im industriellen Temperaturbereich funktioniert. Dies ist so nicht richtig, denn es sind noch weitere Parameter zu berücksichtigen:

Zum Einen hat jeder Die Shrink einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des NAND-Flashs. Je kleiner die Strukturbreiten werden, desto größer wird die Varianz in der Qualität der einzelnen Dies eines Wafers. Dies wiederum kann dazu führen, dass ein fertiges Flash-Speichermedium aus einzelnen Speicherkomponenten von recht unterschiedlicher Qualität besteht.

Darüber hinaus wird ebenfalls die Zuverlässigkeit des NANDs beeinträchtigt. Kleinere Flash Chips bedeuten folglich weniger Elektronen. Dies wiederum führt zu einer höheren Anzahl von Bit-Fehlern sowie einer Reduktion der Data Retention und Endurance. Um höchste Produktqualität zu gewähren, müssen daher von Seiten des Flash-Herstellers umfangreiche Validierungen und Tests durchgeführt werden.

Schließlich wird die Zuverlässigkeit des Flashs zusätzlich noch durch Temperaturschwankungen beeinflusst. Diese können zu einer Veränderung der Verteilung der Ladung im Flash und damit zu Datenverlust durch Data Retention Probleme führen.

Effiziente Testprozesse verbessern die Zuverlässigkeit

ATP wendet folgende Verfahren an, welche aus jahrelanger Erfahrung mit NAND-Flash-basierten Speichermedien in schwierigen Anwendungsumgebungen entstanden sind:

Der IC Level Test dient dazu, die Lebensdauer des jeweiligen NAND-Flashs unter verschiedenen Temperaturprofilen und ECC-Kriterien zu analysieren. Hier wird das Verhalten des Flashs unter wechselnden ECC-Leveln und Temperaturbereichen charakterisiert. Die Erkenntnisse werden als Basis für den darauf folgenden RDT verwendet.

Der RDT (Reliability Demostration Test) wird sowohl auf Produktebene als auch bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Er unterscheidet sich dahingehend von gängigen Copy Compare Tests, als dass die gesamte Speicherkapazität inklusive Firmware, verfügbare Speicherkapazität und Spare Blocks überprüft wird. Bei Copy Compare wird hingegen nur der dem Nutzer zur Verfügung stehende Bereich getestet. Unter strengen ECC-Kriterien wird beim RDT über ein breites Temperatur-Spektrum von -40°C bis +85°C ein Lese-/Schreib-Burn-In-Test angewandt (siehe Abbildung). Dies dient dazu, schwache Blöcke auszuschließen.

Um die Lebensdauer des Flash-Speichermediums zu erhöhen, wird nach dem Reliability Demostration Test die Zahl der verfügbaren Spare-Blocks überprüft. Dies gewährleistet, dass eine ausreichende Zahl an Spare Blocks zur Verfügung steht.

Diese Kombination aus Chip Level und Product Level Test-Verfahren macht ATPs iTemp MLC Produkte zu einer langlebigen und zuverlässigen Lösung für anspruchsvolle IIoT Anwendungen. Sie sind in unterschiedlichen SATA (mSATA, slimSATA, M.2, 2.5“, CFast) und SD (SD, uSD) Formfaktoren produktabhängig in Kapazitäten von 8 GByte bis 480 GByte erhältlich.

* David Raquet ist Channel Sales Manager bei ATP.

* Nicolas Leng ist Assistant Product Manager, Embedded SSD BU, bei ATP.

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