Wie sich Flash-Speicher für Autos von Verbrauchergeräten unterscheiden

Gerade neueren Mitgliedern eines Ingenieurteams dürfte es schwerfallen, den genauen Unterschied zwischen den Qualitätsstufen für Verbraucher und Automotive zu erkennen. Die in den Datenblättern aufgeführten Spezifikationen klingen oft ähnlich, und einige können sogar identisch sein. Während die Gehäuse und auch die Spezifikationen Ähnlichkeiten aufweisen, gibt es jedoch tatsächliche Unterschiede bei den Herstellungsverfahren, dem Lebenszyklusmanagement und der Unterstützung bei der Fehleranalyse im Falle eines Teileversagens.

In seinem Bericht aus dem Jahr 2015 hat der ZVEI 66 potenzielle Unterschiede zwischen Halbleiterbauelementen für Fahrzeuge und solchen für Verbraucher aufgezeigt. Die Entwicklung der Halbleitertechnologie sowie die Gehäuse und das Produktdesign sind als Bereiche aufgeführt, die sich unterscheiden können. Dann folgen Validierung, Charakterisierung und Qualifizierung sowie Herstellung und Prüfung, wobei die einschlägigen Normen und Verfahren eingehalten werden. So sind beispielsweise Geräte, die in der Automobilbranche verwendet werden, entlang ihrer Lieferkette vollständig rückverfolgbar. Das Änderungswesen beim Zulieferer sollte mit JEDEC J-STD-048 konform sein, damit die Kunden die Möglichkeit haben, letzte Bestellungen einzureichen und Liefertermine für den Fall zu bestimmen, dass Produkte eingestellt werden. Flash-Speicherprodukte für die Automobilindustrie erfüllen in der Regel die Norm AEC-Q100 Grade 2 (-40 °C bis +105 °C), werden nach dem Produktionsteil-Abnahmeverfahren (Production Part Approval Process, PPAP) freigegeben und haben eine lange Lebensdauer.

Die elektronischen Systeme in Fahrzeugen durchleben aufgrund der Komplexität von Fahrerassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS), des autonomen Fahrens (Autonomous Driving, AD) und der Nachfrage der Verbraucher nach einem ihren Smartphones ähnelnden Erlebnis auf dem Fahrersitz ebenfalls einen Wandel. Elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) erhöhen ihre Anforderungen an die Flash-Speicherkapazität. Das liegt am Wachstum speicherintensiver Anwendungen wie Telematik, Infotainment im Fahrzeug und Ereignisdatenrekordern (Bild 1).

Eine Erhebung von Quantum hat ergeben, dass ein einzelnes Fahrzeug zwischen 5 TB und 20 TB Daten pro Tag verbrauchen wird – das ist mehr, als die durchschnittliche Person derzeit auf ihrem Smartphone in einem Monat verbraucht. Der Speicherplatz wird für Offline-Karten und Infotainment-Dateien verwendet und dient als Ort zum Zwischenlagern von Over-the-Air-Updates (OTA), bis diese installiert werden können. Er wird auch zunehmend zur Speicherung von Kamerabildern und Sensordaten für die Optimierung von Algorithmen des maschinellen Lernens verwendet.

Was sich nicht ändert, ist das Umfeld, in dem diese Steuergeräte arbeiten. Im Fahrzeugbereich herrschen ständig hohe Temperaturen, unterschiedliche Umgebungsbedingungen, und Stöße und Vibrationen treten unentwegt auf. Von all diesen Herausforderungen ist die hohe Temperatur das größte Problem für Flash-Speicher.

Der Prozess des Schreibens von Daten in NAND-Flash-Zellen löst einen Programmier/Lösch-Zyklus (P/E) aus, der die Anwendung einer relativ großen elektrischen Ladung erfordert. Jeder P/E-Zyklus führt jedoch zu einer geringfügigen Degradation der Oxidschicht innerhalb der Zelle, was der Grund für die begrenzte Lebenserwartung von Flash-Speichern ist. Irgendwann ist die Oxidschicht so geschwächt, dass sie die zum Speichern von Daten erforderliche Ladung nicht mehr zuverlässig halten kann.

Die Umstellung von Single-Level-Cell-Speichern (SLC), die 1 Bit pro Zelle speichern, auf Triple-Level-Cell-Speicher (TLC) hat dieses Problem noch verschärft. Da TLC acht verschiedene Spannungen verwendet, um die Werte „000“ bis „111“ zu repräsentieren, die jede Zelle speichern kann, muss der NAND-Controller die Zellen routinemäßig aktualisieren, um sicherzustellen, dass die vorher eingestellte Schwellenspannung beibehalten wird.

Die elektrische Ladung baut sich im Laufe der Zeit auf natürliche Weise ab, aber die Geschwindigkeit des Verlustes ist abhängig von der Temperatur und dem Zustand der Zelle. Der Betrieb von NAND-Flash-Speichern bei niedrigen Temperaturen (unter 40 °C) ist kein Problem. Wird diese Schwelle aber überschritten, kommt es zu einer drastischen und exponentiellen Verringerung der Datenerhaltung, wie durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben (Bild 2). Einige durch diese Verschlechterung verursachte Fehler lassen sich teilweise durch Fehlerkorrekturcode-Routinen (ECC) innerhalb des Flash-Controllers maskieren. Irgendwann können die Schreibvorgänge jedoch nicht mehr abgeschlossen werden, und die Zelle gilt als ausgefallen. Der zugehörige Block wird dann als abgenutzt markiert, um sicherzustellen, dass er nicht mehr verwendet wird.

Auch wenn Anwendungsentwickler glauben, sie wüssten, wie viele Daten in ihren Flashspeicher geschrieben werden, sieht die Realität meist anders aus. Sowohl NAND als auch Managed NAND hängen von einem Flashspeicher-Controller ab, der die Schreibzugriffe auf Speicherseiten- und Blockebene der Geräte abwickelt. So können beispielsweise kleine Datenmengen, die über mehrere Blöcke verteilt sind, in einen einzigen Block verschoben werden, um Platz für andere zu schreibende Daten zu schaffen.

Dieser Vorgang steht jedoch in keinem Zusammenhang mit dem auf der Anwendungsebene eingeleiteten Datenschreibprozess, und diese zusätzlichen Lese-Lösch-Änderungs-Schreib-Zyklen führen zu einer Beschleunigung des Verschleißes. Diese Differenz zwischen den von der Anwendung geschriebenen Daten und den tatsächlichen Schreibvorgängen in den Flash-Zellen wird als WAF (Write Amplification Factor, Schreibfaktor) bezeichnet. Idealerweise wird ein WAF von etwa 1 angestrebt (Bild 3). Bei der Arbeit mit Managed NAND, wie z. B. e-MMC- oder UFS-Speicher, ist es daher wichtig, die Spur einer Workload zu überprüfen.

Da Flash-Controller versuchen, die Speichernutzung zu optimieren, indem sie ungenutzten „toten“ Speicherplatz reorganisieren, ist es hilfreich, das Schreiben von kleinen Datenpaketen zu vermeiden. Stattdessen sollte versucht werden, genügend Daten zu sammeln, um eine ganze Speicherseite zu füllen, bevor diese im Flash-Speicher abgelegt wird. Infolgedessen sind die Schreibvorgänge des Flash-Controllers effizienter und das Gerät verschleißt langsamer. Anwendungen in der Datenprotokollierung sind für dieses Problem besonders anfällig. Wenn solche Daten beispielsweise nicht eine ganze Seite füllen, lohnt es sich, sie zu puffern, bis ein ganzer Block gefüllt ist (Bild 4). Managed NAND-Geräte, wie z. B. der 512 GB fassende THGAFBT2T83BABI Automotive-UFS von Kioxia, bieten eine Schreibcache-Funktion, die in solchen Fällen aktivierbar ist.

Zuletzt ermöglicht verwalteter, also „Managed“, Speicher Einblicke in den Zustand Ihres NAND-Flash-Speichers. Dazu gehören Daten zur Abnutzung und zur Lebensdauer. Das Angebot an Diagnosedaten zu e-MMC ist begrenzt und wird sich wahrscheinlich nicht verbessern. Die JEDEC reagiert jedoch auf die Forderungen nach einer Verbesserung des Umfangs der Diagnosedaten für UFS-Speicher. Das trägt dazu bei, dass sich UFS als bevorzugte Managed NAND-Option durchsetzt. Beide Speichertypen bieten auch die Möglichkeit, gespeicherte Daten bei Bedarf zu aktualisieren. Dabei wird geprüft, welche Blöcke als „gefährdet“ für einen Datenverlust gelten, und diese dann an einen neuen, weniger abgenutzten Ort verschoben.

Aufgrund des höheren Durchsatzes wird UFS auch für Anwendungen in der Fahrzeugindustrie immer beliebter. Im Vergleich zu e-MMC booten UFS-basierte Systeme etwa 2,5 Prozent schneller und booten zehnmal schneller als QSPI NOR (Bild 5). Die UFS-Speicherlösungen von Kioxia bieten eine erweiterte Diagnose, die Aspekte wie S/L-(Schreib/Lösch)-Zyklen und die Betriebstemperatur überwacht und den Host-Prozessor benachrichtigt, damit dieser entsprechende Maßnahmen ergreifen kann. Daher können Systeme von einer Datenaufbewahrung profitieren, die sich in Jahrzehnten messen lässt.

Was auf den Datenblättern für Flash-Speicher für Verbraucher und für Fahrzeuge steht, mag zwar ähnlich klingen, doch es gibt sowohl physische als auch prozessbedingte Unterschiede zwischen den Produkten. Verwalteter Speicher wie UFS bietet auch eine wachsende Sammlung von Diagnosedaten und Funktionen, die zur Verlängerung der Lebensdauer der Anwendung genutzt werden können. Außerdem ist er beim Booten deutlich schneller als die Alternativen e-MMC und QSPI NOR. Außerdem sind die Entwicklungsteams während der gesamten Lebensdauer ihrer Anwendungen dank eines mittels PPAP verbesserten Produktfreigabeprozess, Lieferkettenmanagement und Vorankündigung des Auslaufens, eingehender Fehleranalyse bei Ausfall eines Teils und Rückverfolgbarkeit der Teile geschützt. (na)