Jeder, der schon einmal einen USB-Stick geöffnet hat, kann die einzelnen Komponenten darin iden­ti­fizieren: Neben dem oder den Flash-Chips, die die größte Fläche einnehmen, sitzen der Controller-Chip mit USB- und Flash-Interface sowie die Spannungsversorgung. In höherwertigen Speichermedien wie einer SSD mit SATA- oder PCIe-Interface kommt oft noch ein RAM hinzu, das den Transfer beson­ders beim Schreiben von Daten in den Flash-Speicher beschleunigt.

Bild 1: Bei einer Single-Chip-SSD auf einem m.2-Board sind alle Kompo­nenten in einem IC-Gehäuse vereint und hermetisch versiegelt.

Bild 1: Bei einer Single-Chip-SSD auf einem m.2-Board sind alle Kompo­nenten in einem IC-Gehäuse vereint und hermetisch versiegelt. Hy-Line

Für den Einsatz in einer rauen Umgebung ist diese Konfiguration jedoch schlecht geeignet. Schock und Vibra­tionen belasten die Mechanik und die Kontakte, und Temperaturwechsel im industriellen Maßstab beanspruchen die Lötstellen. Mit einer Single-Chip-Lösung, die alle Kompo­nenten in einem IC-Gehäuse vereint und hermetisch versiegelt, lassen sich diese Problemstellen vermeiden. Das BGA-Gehäuse lässt sich im üblichen Prozess zusammen mit den anderen Schaltungs­komponenten auf der Leiterplatte verlöten. Im Folgenden soll der Begriff SSD für alle Speichermedien gelten, bei denen die Flash-Chips über einen Controller unabhängig von der Schnittstelle an ein Host-System angeschlossen sind (Bild 1).

Flash-Technologien

Die Grundlage der Flash-Technologie ist eine zwischen zwei isolierenden Schichten eingeschlossene elektrische Ladung. Beim Beschreiben und Löschen des Speichers sind diese Schichten durch eine erhöhte Spannung kurzzeitig leitfähig, sodass die Ladung sie durchdringen kann. Dies beansprucht die Isolationsschicht; der Isolationswiderstand nimmt im Laufe der Zeit ab und die Zelle altert. Die Hersteller geben in Datenblättern P/E-Zyklen an und meinen damit das Programmieren und Löschen (Erase) der Zelle. Es ist nicht möglich eine einzelne Zelle zu löschen, sondern immer nur einen ganzen Block, sodass das Ändern eines einzigen Bits einen P/E-Zyklus für einen ganzen Block bedeutet.

Um einen digitalen Wert zu bestimmen, ist beim Auslesen die Höhe der Ladung auszuwerten. Bei der Single-Level Cell (SLC) entscheidet ein Komparator, ob der zurückgelesene Spannungswert kleiner oder größer als eine definierte Schwelle ist, und gibt dann 0 oder 1 zurück. Bei der Multi-Level Cell (MLC) ist die Abstufung feiner, sodass sich vier unterschiedliche Spannungspegel als der Zustand zweier Bits (00, 01, 10, 11) interpretieren lassen. In fortgeschrittener Halbleitertechnologie ist die Isolation und damit die Ladungshaltung weiter verbessert, sodass Triple-Level Cells (TLC) acht verschiedene Spannungswerte halten, die sich als drei Bits pro Zelle aus­werten lassen. Mit der Quad-Level-Cell-Technologie (QLC) ist der vorläufige Höhepunkt erreicht.

Mit der höheren Integration durch kleinere Strukturen verringern sich zwar die Kosten pro Bit, Halt­barkeit (Endurance) und Übertragungsrate (Performance) des Speichers nehmen jedoch ab. Da die NAND-Hersteller der Nachfrage nach höherer Kapazität folgen, sind SLC-Speicher zu moderaten Preisen kaum noch erhältlich. Ein Kompromiss zwischen Kapazität, Zahl der Schreibzyklen und Kosten ist der Betrieb der MLC-Zelle im SLC-Mode, der auch als Pseudo-SLC bekannt ist. Die Beschreibung der ML-Speicherzelle erfolgt hier mit nur zwei anstatt der möglichen vier Werte. Dabei geht nutzbare Kapazität verloren, die aber der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit zugutekommt. Dieses Verfahren setzt eine enge Zusammenarbeit zwischen Controller- und NAND-Hersteller voraus, da hierbei der interne Aufbau des Flash-Bausteins wichtig ist.

Bild 2: Ein MLC-Speicher kann verschiedene Zustände nutzen, um den SLC-Mode abzu­bilden.

Bild 2: Ein MLC-Speicher kann verschiedene Zustände nutzen, um den SLC-Mode abzu­bilden. Hy-Line

Bild 2 zeigt, welche Zustände ein MLC-Speicher nutzt, um den SLC-Mode abzu­bilden. Die nicht sequentielle Abfolge der binären Zustände liegt an der durch die größere Hamming-Distanz gesteigerten Störfestigkeit. Bei ungefähr doppelten Kosten im Vergleich zum MLC-Betrieb verzehn­facht sich die Anzahl der Schreibzyklen.

Flash-Controller

Bild 3: In schnellen Sys­temen ist dieser Cache mehrstufig angelegt, wie das Blockschaltbild der SSD auf einem Chip verdeutlicht.

Bild 3: In schnellen Sys­temen ist der Cache mehrstufig angelegt, wie das Blockschaltbild der SSD auf einem Chip verdeutlicht. Hy-Line

eckdaten

Flash-Bausteine sind in der Regel nicht direkt mit einer Host-CPU verbunden, sondern haben einen multifunktionalen Controller zwischen Host und Speicher geschaltet, der zur Host-Seite hin ein Standard-Interface anbietet und die Speicher mithilfe einer spezialisierten Firmware unter Kontrolle hat. Die SSD auf einem Chip fasst die wichtigen Funktionsblöcke Host-Controller, Flash-Controller, Flash-Chips und vom Controller-Hersteller in enger Zusammenarbeit mit der vom Flash-Hersteller erstell­ten Firmware monolithisch in einem einzigen IC-Gehäuse zusammen. Sie bietet damit eine gute Mischung aus Datenintegrität und Kosten-/Leistungsrelation für alle Embedded-Anwendungen, die auch in rauen Umgebungen funktionieren müssen.

Flash-Bausteine sind in der Praxis nicht direkt mit einer Host-CPU verbunden. Zwischen den Host und den Speicher ist ein Controller geschaltet, der zur Host-Seite hin ein Standard-Interface anbietet und die Speicher mithilfe einer spezialisierten Firmware unter Kontrolle hat. Bei einer SSD leistet der Controller viele Funktionen, um dem Speicher-Subsystem bei hoher Zuverlässigkeit ein langes Leben und hohe Geschwindigkeit zu geben. Dazu gehören das Wear Leveling, das Schreib­vor­gänge auf den gesamten Speicher verteilt, um die Lebensdauer des Systems zu erhöhen, und das Management defekter Blöcke. Eine weitere Funktion ist die Ansteuerung und Verwaltung eines Caches, um die Zugriffsgeschwindigkeit besonders beim Schreiben zu erhöhen. In schnellen Sys­temen ist dieser Cache mehrstufig angelegt (Bild 3).

Bild 4: Bestimmte Anwendungen wie Videoüberwachung oder Medizingeräte haben spezielle Anforderungen.

Bild 4: Bestimmte Anwendungen wie Videoüberwachung oder Medizingeräte haben spezielle Anforderungen. Hy-Line

Die Integration in ein einziges Gehäuse ermöglicht es, die Firmware des Controllers den Eigen­schaf­ten des Speichers anzupassen. Dabei ist die Performance der Hardware –  Zugriffs­geschwin­dig­keit, Datenhaltung und Endurance – fein abgestimmt. Für eine kosten­günstige Lösung kommt TLC-Speicher zum Einsatz. Teile des TLC-Speichers sind im SLC-Mode anzusteuern, um zum einen die Datensicherheit für Programmspeicher zu steigern und zum anderen dem langsameren TLC-Speicher als Cache zu dienen. Außerdem sorgt die kompakte Bauform für eine gute thermische Kopplung und Un­empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Schock und Vibration. Weitere Vorteile sind die Vielfalt an Produkten, die in unterschiedlicher Speichergröße, mit oder ohne RAM-Cache und ver­schiedenen Temperaturbereichen bei gleichem Gehäuse zur Verfügung stehen. Für die Evaluierung der SSD auf einem Chip eignet sich gut eine m.2-Steckkarte (Bild 1). Durch die kompakte Bauweise eignet sich diese Lösung besonders für tragbare Mess­geräte und Datenlogger, für Geräte in der Labor- und Medizintechnik sowie durch die geringe Masse für alle Baugruppen, die Vibration und Schock ausgesetzt sind. Da der Speicher aufgelötet und nicht gesteckt ist, ist er sicher gegen Manipulationen durch Auswechseln des Datenträgers. Bild 4 zeigt, welche Eigenschaften in typischen Applikationen eine besondere Rolle spielen.

Kapazitäten und Ausblick

Die Flash-Hersteller steigern die Kapazitäten ihrer Chips, indem sie zu höher integrierten Techno­lo­gien übergehen. Echte SLC-Chips sind kaum noch verfügbar, der Schwerpunkt der Produktion liegt auf TLC. Anwendungen verlangen immer noch die Eigenschaften der SLC-Chips wie lange Daten­haltung, viele Schreibzyklen und Zuverlässigkeit. TLC-Speicher arbeiten daher in einem niedrigeren Mode, wobei zwar die Kapazität zurückgeht, die Zahl der möglichen Schreibzyklen jedoch ansteigt.

Bild 5: Netto-Kapazitäten einer SSD auf einem Chip je nach Speicherausbau und Betriebsart.

Bild 5: Nettokapazitäten einer SSD auf einem Chip je nach Speicherausbau und Betriebsart. Hy-Line

Die 3D-NAND-Technologie platziert mehrere Speicherchips (Dies) im Gehäuse übereinander und erzielt so eine hohe Packungsdichte. Bild 5 zeigt, welche Nettokapazitäten eine SSD auf einem Chip je nach Speicherausbau und dessen Betriebsart erreichen kann.

Bild 6 zeigt die stückzahlbereinigte Verbreitung verschiedener NAND-Flash-Technologien. Während die Versorgung mit NAND-Flash niedriger Integration wie SLC und MLC bereits stark zurückgegangen ist, erscheint am Horizont die QLC-Technologie. Die Integrationsdichte in Gigabit pro Chip steigt und der Preis pro Bit sinkt, sodass die Kosten pro Chip annähernd gleich bleiben sollten. Die TLC-Technologie hat durch die Inbetriebnahme neuer Fertigungslinien Fahrt aufgenommen und könnte den größten Teil des Marktes übernehmen. Die Bezeichnung 3D steht in der Grafik für die vertikale Anordnung mehrerer Dies.

Digitales Videoaufzeichungssystem

Besonders bei Nutzfahrzeugen sind heute verstärkt Kameras zur Überwachung des Arbeits­bereichs im Einsatz. Sie unterstützen den Fahrer/Bediener mit der Darstellung von Bereichen, die er aus seiner Position heraus nicht einsehen kann, zum Beispiel bei der Rückwärtsfahrt, direkt an der Bagger­schaufel oder an der Luke für die Müllgefäße. Zur Dokumentation lässt sich das Kamerasignal direkt in einen digitalen Videorecorder einspeisen. Das Speichermedium muss eine konstante Mindestdatenrate ermöglichen, um keine Frames zu verlieren, und eine hohe Anzahl Schreibzyklen bieten, die die Lebensdauer des Fahrzeugs möglichst übertrifft. Konventionelle SD-Karten halten nur ein bis zwei Jahre durch.

Typische Einsatzgebiete sind Bau- und Landmaschinen, Flurförderzeuge, Transportfahrzeuge und Schienenfahrzeuge. Auch die aktuell diskutierte Tote-Winkel-Erkennung für Lkw beim Rechts­abbiegen fordert Kameras mit Aufzeichnung zur Beweissicherung bei Unfällen.

Automatisierte Medikamentenausgabe in der Apotheke

Besonders in großen Apotheken oder in Krankenhäusern gibt es einen hohen Umsatz an Medikamenten. Ein automatisiertes System hilft die Fehlerrate bei der Ausgabe zu senken, stets den Lagerbestand zu kennen und die Verfallsdaten nicht aus den Augen zu verlieren. Eine Schlüsselfunktion übernehmen dabei Kameras, die jede eingelagerte oder abgerufene Medika­men­tenverpackung scannen und identifizieren. Der Computer führt dabei Buch über alle Trans­aktionen und kann jederzeit Auskunft über den Lagerbestand geben und Bestellungen disponieren. Die von mehreren Seiten aufgenommenen hochauflösenden Bilder sind in einem Speicher abgelegt, per OCR oder Code dem Datensatz des Medikaments zugeordnet und verbucht. Die dabei eingesetzte SSD muss eine hohe Datentransferrate haben, da die Bilder in rascher Sequenz eingehen, und eine hohe Anzahl Schreibzyklen ermöglichen.

Fazit

Bild 6: Stückzahlbereinigte Verbreitung verschiedener NAND-Flash-Technologien. Marktanteile nach Technologie abgebildet

Bild 6: Stückzahlbereinigte Verbreitung verschiedener NAND-Flash-Technologien. Marktanteile nach Technologie abgebildet. Hy-Line

Der Integrationsgrad von Flash-basierenden Speichermedien steigt mit hoher Wahrscheinlichkeit in der nächsten Zeit weiter an. Die Kapazität pro Flash-Chip nimmt durch die kleineren Halbleiterstrukturen und die QLC-Technologie weiter zu, gleichzeitig nimmt die Zahl der möglichen P/E-Zyklen aus demselben Grund ab­. Für ein zuverlässiges System ist es deshalb umso wichtiger, einen Controller einzusetzen, der den Speicher optimal ansteuert und Funktionen zum Wear Leveling, Fehlerkorrektur und einen stabilen Betrieb mit gleichbleibend hoher Datenrate auch unter widrigen Betriebsumständen sicherstellt. Die SSD auf einem Chip fasst die wichtigen Funktionsblöcke Host-Controller, Flash-Controller, Flash-Chips und vom Controller-Hersteller in enger Zusammenarbeit mit der vom Flash-Hersteller erstell­ten Firmware monolithisch in einem einzigen IC-Gehäuse zusammen und bietet damit die beste Mischung aus Datenintegrität und Kosten-/Leistungsrelation für alle Embedded-Anwendungen.