SD-Speicherkarten

Zehn Gründe, die für Industrie-SD-Karten sprechen

29.09.2010 | Autor / Redakteur: Andreas Bock, André Kepper* / Margit Kuther

Speicherkarten für Consumer-Appliaktionen sind kostengünstig – aber keine Alternative zu industriellen SD Cards
Speicherkarten für Consumer-Appliaktionen sind kostengünstig – aber keine Alternative zu industriellen SD Cards

Die SD-Speicherkarte hat sich im Consumer-Geschäft massiv durchgesetzt – bietet sie doch derzeit unschlagbare Preise pro GByte. Warum also sollte man für industrielle SD-Cards mehr Geld ausgeben? Wir verraten Ihnen, warum Sie als Industriekunde davon profitieren.

Angesichts der günstigen Preise von Customer-SD-Speicherkarten ist es natürlich auch für industrielle Anwender verführerisch, auf diese kostengünstige Alternative zurückzugreifen. Allerdings sind die Unterschiede zu SD-Karten für Industrieapplikationen auch in technischer Hinsicht so gewaltig, dass sich der höhere Preis durchaus rechnet.

Bei Industrie-SD-Karten in SiP-Technologie (System in Package) sind die Dice direkt auf der Platine verklebt und gebonded. Anschließend werden sie vergossen. Das hat den Vorteil, dass die Chip-Module auch vertikal (Stacked-Die-SiP) aufgebaut werden können.

Bild 1: Die industrielle SD-Karte in SIP-Technologie (links) ist der konstengünstigeren Consumerkarte (rechts) technisch deutlich überlegen
Bild 1: Die industrielle SD-Karte in SIP-Technologie (links) ist der konstengünstigeren Consumerkarte (rechts) technisch deutlich überlegen

So lassen sich verschiedene Halbleiter- und SMD-Technologien in einem Package kostengünstig integrieren (Bild 1).

Ergänzendes zum Thema
 

Zehn Gründe für SIP-Speicherkarten

Die MLC- und SLC-Technologien im Vergleich

Die SLC-Technologie (Single-Level Cell) ist die ursprüngliche Technologie von Flash-Speichern. Sie steht für höchste Ansprüche in puncto Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.

Single-Level-Cell-Speicherzellen (SLC) speichern nur ein Bit pro Zelle, während in Multi-Level-Cell-Speicherzellen (MLC) mehr als ein Bit pro Zelle gespeichert werden können. Erreicht wird dies, indem mehr als zwei Zustände in einer Zelle gespeichert werden. Diese Technik wird vor allem bei NAND-Flash-Speichern verwendet.

Bild 2: NAND-Flash (oben) braucht 2/5 weniger Platz als NOR-Flash (unten)
Bild 2: NAND-Flash (oben) braucht 2/5 weniger Platz als NOR-Flash (unten)

Bei Flash-Speichern in NAND-Technologie werden Speicherzellen seriell angeordnet (Bild 2), was gegenüber Flash-Speichern in NOR-Technologie etwa 2/5 an Fläche einspart. Jede Speicherzelle besteht aus speziellen MOSFETs mit einem so genannten Floating-Gate.

Bild 3: Der schematischer Aufbau des Flash-Transistors zeigt, dass sich das Floating-Gate zwischen dem Control-Gate und der Source-Drain-Strecke befindet und ist durch eine Oxid-Schicht elektrisch isoliert
Bild 3: Der schematischer Aufbau des Flash-Transistors zeigt, dass sich das Floating-Gate zwischen dem Control-Gate und der Source-Drain-Strecke befindet und ist durch eine Oxid-Schicht elektrisch isoliert

Das Speichern eines oder mehrerer Bits geschieht über das Floating-Gate, das zwischen dem Control-Gate und der Source-Drain-Strecke (Bild 3) liegt und durch ein Dielektrikum (Oxid-Schicht) elektrisch isoliert ist. Aufgrund dieser Isolierung ist das Potenzial des Floating-Gate nicht definiert (daher „floating“ = schwimmend).

Zum Speichern eines Bits muss eine Ladung auf das Floating-Gate gebracht werden, was nur mithilfe des quantenphysikalischen Tunneleffekts möglich ist. Dazu wird zwischen Source und Drain eine Spannung angelegt. Mithilfe einer relativ hohen Gatespannung von rund 10 V tunneln Ladungsträger auf das Floating-Gate. Deshalb ändert sich die Schwellenspannung Ut am Control-Gate – also der Wert, an dem der Transistor leitend wird. Je nach Interpretation kann der Zustand leitend als Bit „1“ oder Bit „0“ interpretiert werden. Das Löschen der Ladung geschieht analog mithilfe einer negativen Spannung am Control-Gate des Transistors.

Durch das Aufprägen von verschiedenen Floating-Gate-Potenzialniveaus (Multi-Level-Cell, 2-Bit- bzw. 3-Bit-Zelle) lassen sich zwar mehr als 1 Bit je Flashzelle speichern, der Nachteil ist allerdings ein höherer Aufwand bei der Leselogik sowie eine höhere Bitfehlerrate. Die Folge sind niedrigere Lese- und Schreibraten.

Bei jedem Löschzyklus durchtunneln die Elektronen die Oxidschicht, wodurch die Oxidschicht ein wenig beschädigt wird. Sobald die Isolation der Oxidschicht verloren geht, ist die Flashzelle zerstört. Flash-Hersteller geben für SLC-Flash Schreibzyklen von 100.000 und für MLC-Flash (anfänglich 2-Bit-Zelle) 10.000 an. Das heißt SLC-Flash hält um den Faktor 10 länger als MLC-Flash.

Die Anzahl der Schreib-/ Löschzyklen für die neueren in Consumer-Anwendungen eingesetzten MLC-Produkte liegt laut Herstellerangaben bei 200 bis 300. Um Lese- bzw. Schreibfehlern vorzubeugen, müssen intelligente, aber auch aufwendige Fehlerkorrekturalgorithmen (z.B. Hamming Code) verwendet werden, die im Fehlerfall eine Korrektur vornehmen können.

Tabelle 1: Mit Wear Leveling erreichbare Schreibzyklen
Tabelle 1: Mit Wear Leveling erreichbare Schreibzyklen

Geeignete Algorithmen können die Flash-Lebensdauer erheblich verlängern. Mit dem sogenannten „Wear-Leveling“-Verfahren werden Schreibzugriffe gleichmäßig auf alle Flash-Zellen verteilt. Dadurch können folgende Anzahl von Schreibzyklen erreicht werden (Tabelle 1).

Der NAND-Flash ist in Pages und Blöcken organisiert. Eine Page besteht aus mehreren Einheiten von je 512 Bytes (1 Sektor). Ein Block besteht aus mehreren Pages, wobei eine Page nur einmal programmiert werden kann. NAND-Flashes sind so aufgebaut, dass nur blockweise gelöscht werden kann.

Tabelle 2: Organisation eines NAND-Flash-Speichers
Tabelle 2: Organisation eines NAND-Flash-Speichers

Dies bedeutet, dass eine Page nur gelöscht werden kann, wenn der gesamte Block gelöscht wird. Tabelle 2 zeigt die Organisation des NAND-Flashes:

Industrie-SD-Karten bieten einen sicheren Schutz bei Stromausfall

Stromausfall oder plötzliches Abschalten der Anlage sollten prinzipiell beim Einsatz von Flash Produkten vermieden werden. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass diese Fälle nicht auszuschließen sind. Deshalb bieten Industrie-Karten heute diese Schutzfunktion an. Durch besondere Maßnahmen innerhalb der verwendeten Hardware (Controller) und Firmware wird der Datenverlust bei plötzlichem Stromausfall minimiert. Fehlerhafte Sektoren werden automatisch erkannt und als ungültig markiert. Diese Maßnahmen gewährleisten einen störungsfreien Betrieb.

Auch hohe ESD-Spannungen stecken Industrie-SD-Karten locker weg

Aufgrund der besseren Verarbeitung der Gehäuse (rundum verschweißt) sind Industrie-SD-Speicherkarten unempfindlich gegen äußere Spannungseinflüsse und bieten ESD-Stabilität bis 15 kV .

Die Kontakte von SIP-Karten sind mechanisch extrem stabil

Bei der SiP-Technologie liegt die vergossene Platine voll auf und kann von den Schleifkontakten nicht nach hinten gedrückt werden. Zudem lässt sich Platine mechanisch von hinten abstützen. Beide Möglichkeiten verhindern eine Vibration der Platine.

Eine dickere Goldauflage erhöht die Kontaktsicherheit

Bei Consumer-Karten wird die Kontaktfläche aus Kostengründen möglichst dünn gehalten, während die Kontakte von Industriekarten mit einer extra dicken und stabilen Goldauflage versehen sind, um eine optimale Kontaktsicherheit und eine möglichst hohe Lebensdauer der Kontakte sicher zu stellen.

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