SSD-Details: Schnell, sicher und als FerriSSD ideal für die Industrie

Schnell, sicher, robust und kompakt muss Speicher für den Industrieeinsatz sein. Kein Wunder, dass Solid State Disks die Festplatten mit rotierenden Scheiben verdrängen. Dieser Beitrag informiert über die Details der SSD-Technik.

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Die Verfügbarkeit von Speicherbausteinen mit ausreichend hoher Kapazität zu günstigen Preisen ermöglichte die Ablösung rotierender Speichermedien überall dort, wo diese mit ihren Eigenschaften nicht eingesetzt werden konnten oder sollten.

Beispiele dafür sind schnellere Zugriffszeiten – vor dem Zugriff müssen keine Magnetköpfe positioniert werden – die Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Schock, was sie für mobilen Betrieb auszeichnet, die im Vergleich zu gleich großen Magnetspeichern niedrigere Leistungsaufnahme und schnellerer Datentransfer, besonders beim Lesen von Daten.

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Ein weiterer Vorteil der SSDs: Der Temperaturbereich von Halbleiterspeichern ist generell höher als der von magnetischen, daher auch die Eignung für industrielle Anwendungen. Dem gegenüber stehen die Nachteile der Abnutzung durch Alterung der Zellen und die kritische Phase des Verlusts der Versorgung während des Schreibvorgangs, was aber auf Magnetscheiben genauso zutrifft.

Was ist eigentlich Flash?

Flash bezeichnet eine Technologie, mit der es möglich wird, Daten nichtflüchtig elektrisch in einem Halbleiter zu speichern, zu modifizieren und wieder zu löschen. Der Vorgänger, EPROM, benötigte energiereiche UV-Strahlung für den Löschvorgang, EEPROMs können die Energie mit einer On-Chip-Ladungspumpe erzeugen. Der wesentliche Unterschied zwischen EEPROM und Flash ist, dass Flash-Speicher nur blockweise beschrieben und gelöscht werden können.

Der Zugriff auf eine einzelne Zelle ist nicht möglich; um ein Bit zu ändern, muss ein gesamter Block in einen Zwischenspeicher ausgelesen, das Bit manipuliert und der gesamte Block zurückgeschrieben werden. Flash speichert Daten nichtflüchtig, indem eine elektrische Ladung zwischen zwei Isolationsschichten eingeschlossen wird.

Beim Schreiben und Löschen wird eine dieser Schichten kurzzeitig leitfähig und lässt Ladungen zu- und abfließen. Der Lesevorgang ist nicht-destruktiv und kann beliebig oft erfolgen. Schreib- und Löschvorgänge lassen die Zelle altern. Dadurch verschlechtert sich der Isolationswiderstand, und die eingeschlossene Ladung kann im Laufe der Zeit abfließen.

Um die Speicherdichte weiter zu erhöhen, haben die Halbleiterhersteller weitere Strategien entwickelt: die ursprünglich planare Anlage der Speicherzellen wird in einen V-förmigen Graben verlegt (V-NAND), und es werden in einem Chip mehrere Dies übereinander gestapelt und elektrisch miteinander verbunden (3D NAND). So kann in einem sehr kompakten Gehäuse eine große Speicherkapazität realisiert werden.

Flash-Technologien: SLC oder MLC/TLC

Nur von außen betrachtet speichert eine Flash-Zelle eine digitale Information, die als „0“ oder „1“ ausgelesen wird. Real wird eine bestimmte Zahl Ladungsträger isoliert. Beim Auslesen entscheidet die Auswertungsschaltung im Chip, ob die Zahl der Ladungsträger höher oder niedriger als ein Schwell-wert ist und gibt ein entsprechendes Logiksignal aus. Dies gilt für die SLC (Single Level Cell)-Zelle.

Im MLC-Speicher (Multi Level Cell) gibt es dementsprechend mehrere Schwellen, die gemeinsam als vier verschiedene Zustände ausgewertet werden und nach außen hin zwei Bits repräsentieren. Je nach „Füllgrad“ der Zelle sind die Bitwerte 00, 01, 10 und 11 abgelegt. Die aktuelle Technologie verfeinert die Klassifizierung des Ladezustands um eine weitere Stufe und interpretiert ihn in acht Stufen als drei Bits.

Dies wird als „TLC“ – Triple Level Cell – bezeichnet. Die Vorteile dieser Technologie sind die höhere Speicherdichte pro Chip, die Speichermedien höherer Kapazität setzen sie wegen des geringeren Bauvolumens und Preises ein.

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