EP Basics: NAND-Flash-Speicher 3D TLC NAND Flash als pseudo-SLC: Vier Gründe für den industriellen Einsatz

Von Roger Griesemer

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Single-Level-Cell-NAND ist besonders robuster Flash-Speicher. Allerdings ist seine Speicherkapazität begrenzt, da er nur ein Bit pro Zelle verwaltet. Zudem ist er vergleichsweise teuer. Stand der Technik ist heute Triple-Level-Cell-NAND, der für industrielle Anwendungen im pseudo-SLC-Modus betrieben werden kann. Dafür gibt es gute Gründe.

Bei gleicher Kapazität ist pSLC etwa dreimal teurer als TLC, da die dreifache Menge an Flash-Speicher benötigt wird. Bei echtem SLC, der bisher bei schreibintensiven Anwendungen und rauen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommt, muss man hingegen mit zehnfachen Kosten gegenüber TLC rechnen.
Bei gleicher Kapazität ist pSLC etwa dreimal teurer als TLC, da die dreifache Menge an Flash-Speicher benötigt wird. Bei echtem SLC, der bisher bei schreibintensiven Anwendungen und rauen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommt, muss man hingegen mit zehnfachen Kosten gegenüber TLC rechnen.
(Bild: Swissbit)

Triple-Level-Cell-(TLC-)NAND-Flash hält mit seiner hohen Speicherdichte von drei Bits pro Zelle seit einigen Jahren Einzug in industrielle Speicherlösungen. TLC lässt sich auch im sogenannten pseudo-Single-Level-Cell-(SLC-)Modus (pSLC) betreiben. Das bedeutet: Statt drei unterschiedlichen Spannungspotenzialen wird wie bei „echtem“ SLC lediglich ein Ladungs-Level unterschieden. Jede Zelle speichert somit ein statt drei Bit. Diese Möglichkeit wird vergleichsweise wenig genutzt. Dabei gibt es eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, bei denen die wirtschaftlichen Vorzüge dieser Konfiguration überwiegen. So kann die Lücke zu echtem SLC-Speicher geschlossen werden.

Grund 1: Lebensdauer

Während TLC NAND Flash typischerweise nur für eine Anzahl von 3.000 Programmier- und Löschzyklen ausgelegt ist, erreicht der gleiche Speicher im pSLC-Modus bereits 30.000 Zyklen in der letzten Flash-Generation und sogar bis zu 100.000 Zyklen mit der aktuellen Flash-Technologie.

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Durch die Speicherung von nur einem statt drei Bits pro Zelle schrumpft die Kapazität zwar auf ein Drittel. Oder aber es muss die dreifache Menge an Flash eingesetzt werden. Die Lebensdauer steigt allerdings bis zum 33-Fachen an. pSLC bietet sich somit für alle Anwendungsfälle an, in denen der Speicher lange im Einsatz ist und viele Daten geschrieben werden. Das Gleiche gilt für Szenarien, in denen ein Austausch oder Wartungsintervalle mit hohem Aufwand verbunden sind oder die genaue Schreiblast im Einsatz vorab nicht bekannt ist.

Mit pSLC reduziert sich die Größe einer Page, also die minimale Menge an Speicherzellen, die zusammenhängend pro Schreibzugriff programmiert werden müssen, ebenfalls auf ein Drittel. Das führt zu einer deutlichen Verbesserung des Write-Amplification-Factors. Die Kombination aus der extrem hohen Zyklen-Anzahl und der kleineren Page-Größe resultiert in einer Lebensdauer, die nur selten von einer Anwendung überschritten wird. Entsprechend entfällt die Notwenigkeit für Wartung und Austausch im Feld.

Grund 2: Zuverlässigkeit

Um drei Bits in einer TLC-Zelle zu speichern, müssen 23 = 8 elektrische Spannungen innerhalb der Zellen unterschieden werden. Im pSLC-Modus wird jedoch nur ein Bit gespeichert, somit müssen nur zwei Spannungen durch die Ausleselogik unterschieden werden.

Die maximale Spannung ist durch die verwendete Halbleitertechnologie begrenzt. Entsprechend ist der Abstand zwischen den acht verschiedenen TLC-Spannungen viel geringer als der Abstand zwischen den beiden pSLC-Spannungen, was zu einem sichereren Erkennen des Dateninhaltes führt.

Liegt bei 3D TLC die Temperatur zwischen dem Schreiben der Daten und dem späteren Auslesen weit auseinander, kann dies die eingebaute Fehlerkorrektureinheit des Controllers überfordern (Cross-Temperature-Effect). Zudem hängt der Ladungsverlust in den Speicherzellen nicht nur von der Zeit, sondern dabei auch exponentiell vom Verschleiß ab. Beides, Temperaturunterschiede und Ladungsverlust können dazu führen, dass die acht Spannungslevel nicht mehr sauber von der Ausleselogik unterschieden werden können.

Gerade beim Einsatz unter extremen Temperaturbedingungen ist pSLC die richtige Wahl, um auch noch nach Jahren mit hoher Abnutzung und starken Temperaturschwankungen die Daten jederzeit zuverlässig lesen zu können.

Grund 3: Performance

Roger Griesemer, General Manager Memory Solutions bei Swissbit: „TLC-NAND-Flash im pSLC-Modus bietet nicht nur eine lange Lebensdauer, sondern auch einen besseren Datenerhalt als TLC.“
Roger Griesemer, General Manager Memory Solutions bei Swissbit: „TLC-NAND-Flash im pSLC-Modus bietet nicht nur eine lange Lebensdauer, sondern auch einen besseren Datenerhalt als TLC.“
(Bild: Swissbit)

Da bei pSLC nur zwei statt acht Zustände programmiert beziehungsweise beim Lesen unterschieden werden müssen, sind diese Vorgänge deutlich schneller. pSLC lässt sich im Vergleich zu TLC etwa mit doppelter Geschwindigkeit lesen und mit sechsfacher Geschwindigkeit beschreiben:

Beim Lesen muss bei pSLC nur ein Spannungslevel pro Zelle geprüft werden. Liegt die Zellspannung darüber, ist eine Null in der Zelle gespeichert; liegt sie darunter, ist es eine Eins. Im TLC-Modus muss für das erste Bit der Speicherzelle auch nur ein Spannungslevel geprüft werden. Für das zweite Bit müssen zwei Spannungslevel und für das dritte Bit drei Spannungslevel geprüft werden. Im Mittel sind somit zwei Lesezugriffe nötig, wodurch sich der Faktor Zwei für die Lesegeschwindigkeit ergibt.

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Beim Schreiben ist pSLC klar im Vorteil, da eine gelöschte Zelle eine Eins repräsentiert und eine programmierte Zelle eine Null. Es kommt nicht drauf an, wie groß der Spannungsabstand ist. Im TLC-Modus muss jede Zelle jedoch langsam in mehreren Schritten programmiert werden, denn die gewünschte Spannung muss exakt getroffen werden.

Gerade dort, wo hohe Schreibgeschwindigkeiten gefordert sind, geht dies meist mit der Forderung nach hoher Lebensdauer einher. Der pSLC-Modus erfüllt beide Anforderungen und ist hier die richtige Wahl.

Grund 4: Kosten

Der Wechsel von TLC auf pSLC geht bei gleichbleibender Kapazität etwa mit dreifachen Kosten einher, da die dreifache Menge an Flash-Speicher benötigt wird. Entscheidet man sich für echten SLC, der bisher traditionell bei schreibintensiven Anwendungen und rauen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommt, muss man hingegen mit zehnfachen Kosten gegenüber TLC kalkulieren - so dass pSLC auch in puncto Preis eine ernstzunehmende Alternative darstellt.

pSLC spielt seine Stärke besonders dort aus, wo die Kapazität einer SSD eher nebensächlich ist und sich die Anforderung vor allem auf die TBW (Total Bytes Written) bezieht. Ein Beispiel: In einer Anwendung werden im Ringspeicher Log-Dateien geschrieben. Grundsätzlich würden 32 Gigabyte an Speicher ausreichen, aber für die Lebensdauer wird eine Schreibleistung von 300 Terabyte TBW benötigt. Um diese zu erreichen, wäre ist eine Mindestkapazität von 240 Gigabyte TLC erforderlich. Wird stattdessen eine 40 Gigabyte pSLC-SSD eingesetzt, lassen sich damit alle Anforderungen erfüllen – und das bei nur 50 Prozent der Kosten. Denn eine 40 Gigabyte pSLC-SSD entspricht einer 120 Gigabyte TLC-SSD.

TLC im pSLC-Modus ist die ideale Lösung zwischen günstigem TLC- und teurem SLC-Speicher. Sie kombiniert lange Lebensdauer, hohe Performance und Temperaturunempfindlichkeit zu einem Bruchteil der Kosten von echtem SLC NAND. Daher bietet Swissbit grundsätzlich alle Produkte auch als pSLC-Lösungen an.

* Roger Griesemer ist General Manager Memory Solutions bei Swissbit

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