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NAND-Speicher für die Industrie Welcher Flash ist der richtige?

29.08.2017

Die Wahl zwischen SLC- oder MLC-Flash-Speichern ist auch eine Entscheidung zwischen Langlebigkeit und Speichergröße. Die neue Pseudo-SLC-Technologie vereint nun die Vorteile beider Welten. Ob sich der Einsatz solcher Speicher lohnt, hängt davon ab, für welche Anwendungen sie vorgesehen sind.

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NAND-Flash-Speicher sind im Gegensatz zu Harddisks unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Vibrationen. Dadurch eignen sie sich besonders gut für Industrieanwendungen. Nachteilig sind hingegen ihre beschränkten Schreib- und Lesezyklen. Trotzdem eignen sich Flash-Speicher für Anwendungen, bei denen eine langen Lebensdauer verlangt wird. Die Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass eine bedarfsgerechte Evaluation der verwendeten Speicher stattfindet. Dadurch lässt sich die passende Technik für das jeweilige Einsatzgebiet auswählen.

Die höchste Lebensdauer haben nach wie vor SLC-NAND-Speicher (Single Level Cell). Denn sie lassen die mit Abstand meisten Schreib- und Löschzyklen zu. Die von Syslogic vertriebenen SLC-Speicher von Cactus Technologies verfügen etwa über A-Grade-Flash-Zellen (NAND) von Toshiba auf 43- oder 32-nm-Basis. Hierbei handelt es sich um die größten erhältlichen NAND-Shrinks. Sie gehören außerdem zu den langlebigsten Flash-Speichern auf dem Markt. Die SLC-Speicher von Cactus Technologies erlauben je nach verwendetem NAND-Speicher zwischen 80.000 und 100.000 Schreib- und Löschzyklen. Dementsprechend lange dauert es, bis sie ersetzt werden müssen.

Die einzigen beiden Nachteile dieser Technik sind der höhere Preis im Vergleich zu MLC-Speichern (Multi Level Cell) und die beschränkten Speicherkapazitäten. Bei Anwendungen, bei denen eine lange Lebensdauer wichtig ist und bei denen die benötigte Speicherkapazität 16 GB nicht übersteigt, lohnt es sich deshalb in den meisten Fällen in SLC-Speicher zu investieren. Auch bei sehr hoher thermischer Belastung ist eine Anschaffung empfehlenswert. SLC-Speicher funktionieren unter extremen Temperaturen wesentlich zuverlässiger als MLC-Speicher.

pSLC: Vorteile von MLC und SLC nutzen

Ein Novum auf dem Gebiet der industriellen Flash-Speicher ist hingegen die pSLC-Technologie (Pseudo Single Level Cell). Sie baut zwar auf MLC-NAND (Multi Level Cell) auf, die NAND-Zellen werden aber wie ein SLC-Speicher betrieben. Anstelle von zwei Bits, wie bei MLC üblich, wird nur ein Bit pro NAND-Zelle gespeichert. Für dieses Verfahren existiert die Bezeichnung Fast Page Mode; einige Hersteller sprechen auch von MLC+ oder Turbo Mode.

Der Vorteil des Fast Page Mode liegt vor allem in der Geschwindigkeit. Lese- und Schreibgeschwindigkeit werden zu Lasten der Speicherkapazität erhöht. Sämtliche MLC-NAND-Speicher können im Fast Page Mode betrieben werden, ohne das eine Firmware-Anpassung nötig wird. Der Nachteil ist allerdings, dass die Lebensdauer (Endurance) der einzelnen Flash-Zelle gegenüber herkömmlich genutzten MLC-Speichern nur unwesentlich höher ist. Zwar werden im Fast Page Mode nur zwei Ladungszustände abgespeichert, doch ist der Unterschied der Spannungsniveaus genauso klein wie bei vier Ladungszuständen. Folglich kommen auch die Nachteile von MLC-NAND zum Tragen: Fehleranfälligkeit durch schwierige Zuordnung der Spannungsniveaus, beschränkte Schreib- und Lesezyklen und daher beschränkte Lebensdauer.

Die pSLC-Technologie (Pseudo Single Level Cell), teilweise auch SLC Light genannt, geht jedoch weiter und vergrößert gleichzeitig die Spannungsunterschiede zwischen den beiden Ladungszuständen. Durch die deutlichen Spannungsunterschiede kommen nun auch die Vorteile von SLC-Speichern zum Tragen. Die Ladungszustände können einfacher zugeordnet werden als beim Fast Page Mode oder bei herkömmlich genutzten MLC-NAND. Das erlaubt bis zu sechsmal mehr Schreib- und Löschzyklen als bei herkömmliche MLC-Speicher.

Höhere Datensicherheit und Lebensdauer

Gleichzeitig sorgen die deutlichen Spannungsunterschiede für eine verminderte Anfälligkeit auf Datenfehler. Folglich erhöht sich die Datensicherheit und Langlebigkeit von pSLC-Speichern deutlich im Vergleich zu herkömmlichen MLC-Speichern oder von MLC-Speichern im Fast Page Mode. Allerdings ist es bei diesem Verfahren notwendig, dass der Speicherhersteller die Firmware anpasst. Im Gegensatz zum Fast Page Mode sind also spezielle MLC-NAND nötig, welche die pSLC-Technologie unterstützen.

Für Industrieanwendungen, die sowohl einen großen Speicherbedarf haben als auch hohe Anforderungen an die Lebensdauer und die Funktionssicherheit stellen, können pSLC-Speicher deshalb eine attraktive Alternative sein. Es ist allerdings ein Irrglaube, dass die pSLC-Technik in Bezug auf die Lebensdauer an SLC-Speicher heranreichen könnte.
Letztere haben immer noch eine bis zu fünfmal höhere Haltbarkeit.

Auch MLC-Speicher werden salonfähig

MLC-Speicher waren in der Industrie hingegen lange verpönt. Mittlerweile gibt es aber Speicherhersteller, die mit intelligenter Firmware die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit dieser Flash-Speicher verlängern können. Die mögliche Anzahl der Schreib- und Lesezugriffe ist jedoch bei MLC- um bis zu
30-mal niedriger als bei SLC-Speicher. Entsprechend eignen sie sich nur für Anwendungen, bei denen entweder die Langlebigkeit nicht zentral ist, oder die auf erhebliche Datenmengen zugreifen müssen. Ihre Haltbarkeit lässt sich allerdings verlängern, indem man große Speicherkapazitäten einsetzt. Dadurch werden die Schreib- und Lesezugriffe auf mehr NAND-Zellen verteilt.

Moderne Flash-Speicher verfügen zudem über ausgeklügelte Kontroll-Algorithmen, welche den Speicherzustand permanent überwachen. Zeichnet sich das Ende eines Flash-Speichers ab, kann frühzeitig reagiert werden. Damit lassen sich Feldausfälle erfolgreich vermeiden – und auch jede Menge Frust und Ärger. Flash-Speicher erfüllen also die Ansprüche der Industrie betreffend Langlebigkeit ideal. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass eine gewissenhafte und bedarfsgerechte Evaluation stattfindet.

Bildergalerie

  • Die pSLC-Technik setzt auf den Fast Page Mode, der auch in MLC-Speichern zum Einsatz kommt. Deutliche Spannungsunterschiede bei den Ladungszuständen sorgen aber für höhere Datensicherheit und Lebensdauer.

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  • Cactus Technologies ist einer der wenigen Hersteller, der sich auf industrielle Speichermedien konzentriert. Im Bild zu sehen ist die Fertigung im Produktionswerk in Taiwan.

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