Die Erhöhung der Lagenzahl geht einher mit dem Trend, mehr Bits pro Zelle zu speichern. Die aktuelle Mainstream-Technologie TLC (Triple Level Cell) speichert drei Bits pro Zelle, wobei der Begriff Level sich nicht auf die internen Zustände bezieht, sondern auf die Anzahl der Bits.
Die Anzahl der internen Zustände, die sicher gespeichert und wieder gelesen werden müssen, sind die Zweierpotenz aus der Anzahl der gespeicherten Bits – das heißt, bei drei Bits müssen acht unterschiedliche Zustände erkannt werden. Der Trend geht zu noch mehr Speicher bei gleicher Chipgröße, was man durch QLC (Quad Level Cell, vier Bits pro Zelle) realisiert, mit der anspruchsvollen Aufgabe, 16 Zustände zu verwalten.
Im gleichen Maß, wie die Menge der gespeicherten Informationen pro Quadratzentimeter Silizium zunimmt, wird die Anzahl der realisierbaren Schreibzyklen geringer. Konnte man bei SLC (Single Level Cell, ein Bit pro Zelle) jede Zelle noch 60.000- bis 100.000-mal neu beschreiben, so verringerte sich die Anzahl bei MLC (Multi Level Cell, zwei Bits pro Zelle) auf 3.000.
Beim Übergang vom planarem MLC zu 3D-TLC (zwei versus drei Bits) war es aufgrund der besseren Zelleigenschaften bei 3D möglich, die 3.000 Zyklen beizubehalten. Dieser Wert verringert sich bei QLC auf circa 1.000 und bei der nächsten Evolutionsstufe PLC (Penta Level Cell, fünf Bits pro Zelle = 32 Zustände) auf einen Wert kleiner als 100.
PLC ist mittlerweile dem Prototypenstadium entwachsen und wird früher oder später der Mainstream-NAND für Hyperscale-Datacenter-Anwendungen wie bei Google oder Facebook werden, bei denen Daten nur einmal geschrieben und häufig gelesen werden (WORM = Write Once, Read Multiple).
Hohe Anforderungen haben ihren Preis
Im Gegensatz dazu gibt es weiterhin Applikationen, die Unmengen an kleinen Daten schreiben, sei es die Aufzeichnung von Sensordaten, lokale IoT-Datenbanken oder das Aufzeichnen von Statusinformation. Gerade das Schreiben von kleinen Paketen im Byte- bis Kilobyte-Bereich verschleißt NAND Flash weit mehr als Datentransfers im Megabyte-Bereich.
Für diese Applikationen war bisher SLC das beste Speichermedium. Aufgrund kleiner Blockgrößen und 100.000 möglichen Löschzyklen sind SLC-basierte Speichermodule oft langlebiger als die benötigte Einsatzzeit im Feld. Zusätzlich ist SLC weniger temperaturempfindlich und hat geringere Anforderungen an die Fehlerkorrektur im Controller, was sich positiv auf die Langzeitperformance auswirkt.
Der Hauptgrund für die Ablösung von SLC bei diesen anspruchsvollen Anwendungen liegt jedoch bei einem weiteren wichtigen Argument: dem Preis. Die SLC-Technologie leidet unter dem Henne-Ei-Dilemma: Aufgrund der älteren, teureren Technologie verabschiedet sich der Mainstream sukzessive von SLC, weshalb es sich nicht mehr lohnt, SLC auf modernere und zukunftsfähige Technologie zu transferieren.
Pseudo-SLC als attraktiver Mittelweg
Die heutige SLC-Technologie hat bei einer typischen Chipfläche von 100 mm2 eine Kapazität von 32 Gbit. Ein gebräuchlicher 3D-NAND-TLC-Chip hat hingegen 512 Gbit Kapazität und in nächster Generation 1 Tbit. Damit ist TLC-Technologie 16-mal kostengünstiger als SLC. Auf Systemebene relativiert sich dieser Effekt etwas: TLC-Controller sind komplexer und teurer und mit 512-Gbit-NAND-Chips ist die minimale Kapazität eines Laufwerks gleich 32 GB.
Für Datacenter oder ambitionierte Heimanwender ist das kein Problem. Dort fangen interessante Laufwerksgrößen ohnehin erst jenseits 1 TB an. Anders verhält es sich bei Anwendungen im Industriebereich oder als Bootlaufwerk für Netzwerk- oder Kommunikationssysteme. Dort reichen meist wenige, dafür aber umso intensiver genutzte GB aus.
Da im oben beschriebenen 32-GB-TLC-Fall auch nur ein Chip eingesetzt wird, bietet das Laufwerk unabhängig von seinem Interface eine eher geringe Schreib- und Lese-Geschwindigkeit, denn die Systemleistung ergibt sich aus der Anzahl der parallelen Flash-Kanäle – je mehr Kanäle bestückt sind, umso höher die Performance. Highspeed-SSDs verwenden bis zu 16 parallele Flash-Kanäle, um eine entsprechende Performance zu erreichen. Mit mehreren parallelen SLC-Flash-Chips ist eine schnelle SSD auch mit viel kleineren Kapazitäten realisierbar.
Wünschenswert wäre also ein SLC-Chip mit moderner 3D-NAND-Technologie, der in hohem Volumen gefertigt wird und entsprechend kostengünstig ist. Erinnern wir uns an die Definition von SLC: Single Level Cell, also ein Bit pro Zelle. Dies ist mit allen NAND-Flash-Produkten machbar. Man muss allerdings der internen Steuerung sagen, dass sie nur noch mit zwei Zuständen arbeiten soll: gelöscht und programmiert, 1 oder 0. Diese Funktionsweise wird pSLC oder Pseudo-SLC genannt.
Die Vorteile überwiegen
Durch die Verwendung von nur zwei internen Zuständen kann mit einer geringeren Spannung programmiert werden. Das schont das empfindliche Siliziumoxyd im Speichertransistor und verlängert die Lebensdauer. Da die Elektronik nur noch zwei Zustände unterscheiden muss, ist der Störabstand viel größer, als wenn 32 Zustände vorhanden sind.
Ein Degradieren des gespeicherten Werts ist viel länger tolerierbar als bei TLC oder QLC. Beide Effekte führen dazu, dass die erlaubte Anzahl der Programmier- beziehungsweise Löschzyklen von 3.000 für TLC auf 30.000 bis 60.000 für pSLC steigt. Damit kommt dieser Betriebsmodus wieder in den Bereich der „echten“ SLC-Technologie.
Auch bei 2D-MLC-NAND war schon ein pSLC-Betrieb möglich. Hier wurde aus den zwei Bits pro Zelle nur eines benutzt, die Kapazität halbierte sich also. Das Schreiben nur eines Bits brachte gleichzeitig Geschwindigkeitsvorteile mit sich. Preislich verdoppelten sich die Kosten pro Bit, da nur noch die Hälfte der Bit-Kapazität pro Siliziumchip verfügbar war.
Bei der TLC-Technologie nutzt man nur eines von drei Bits pro Zelle. Die Kosten verdreifachen sich, um die gleiche Speicherkapazität zu erreichen. Was allerdings immer noch sehr viel günstiger ist als mit echtem SLC-NAND. QLC im pSLC-Modus einzusetzen, bringt dagegen keinen Vorteil. QLC hat zwar 1,33-mal die Kapazität von TLC, aber man nutzt nur ein Viertel der Bits pro Zelle. Somit ist die pSLC-Kapazität bei QLC und TLC identisch.
pSLC führt zu „neuen“ Speicherkapazitäten
Die Reduktion der Chipkapazität auf ein Drittel hat einen ungewöhnlichen Effekt auf die gebräuchlichen SSD-Kapazitäten. In der binären IT-Welt war man gewohnt, mit Vielfachen von Zweierpotenzen zu rechnen: 64, 128, 256, 512 GB Laufwerkskapazität.
Mit dem Übergang zu 3D-NAND wurde allerdings intern mehr Speicher benötigt, um Caches oder Raid oder sogenanntes Overprovisioning zu realisieren: Hierbei wird extra reservierter Speicher zur Beschleunigung des Schreibens und zur Erhöhung der Lebensdauer verwendet. Die daraus resultierenden Kapazitäten betragen dann 60, 120, 240, 480 GB et cetera. Angegeben wird diese dem Nutzer zur Verfügung stehende Kapazität durch den Parameter „User LBA Range“.
Häufig sieht man in den Spezifikationen von SSDs, die „binäre Größen“ für sich beanspruchen, dass die „User LBA Range“ in genau diesem Maß reduziert wurde. Das Laufwerk weist in einem solchen Fall zwar 512 GB aus, dem User stehen aber nur 480 GB zur Verfügung. Hier ist Vorsicht geboten, da Herstellerspezifikationen mit diesen Details eher selten sind.
Wenn jetzt noch die pSLC-Reduktion hinzukommt, dann ergeben sich ungewohnte neue Laufwerksgrößen: Aus einer 480-GB-TLC-SSD wird eine 160-GB-pSLC-SSD, die dabei so teuer ist wie eine 480-GB-TLC-SSD. Kunden aus dem Embedded- oder dem Netzwerk- und Kommunikationsbereich, die feste Abbilder ihrer Systemumgebung einsetzen, nutzen bei kleinen Kapazitäten nach wie vor binäre Größen. Für diese Fälle wird dann die Benutzerkapazität auf die nächstkleinere binäre Kapazität reduziert, mit dem Vorteil, dass die Lebensdauer noch einmal überproportional größer wird.
Fazit
pSLC ist eine ideale Lösung, um 3D-NAND-Technologie kostengünstig auf die Lebensdauer von SLC zu trimmen. Ein Nachteil sind lediglich die ungewohnten neuen Laufwerksgrößen.
Echte SLC-Produkte werden aber auch zukünftig langfristig im Programm bleiben, denn der unschlagbare Vorteil von echtem SLC ist der Umstand, dass er sich nicht mehr oft ändert und deshalb Kosten zur Requalifikation eingespart werden können.
