Industrietaugliche Speichermedien auf Basis von 3D-NAND

Industrietaugliche Flash-Speicher bilden einen eigenen Markt. Während Consumer oder Enterprise SSDs in gut belüfteten Systemen verbaut sind, deren Anbieter mit den extrem kurzen Produktlebenszeiten bei Speichermedien gut zurechtkommen, stellten Industrieanwendungen höhere Anforderungen. Da wäre das deutlich größere Temperaturspektrum und die Toleranz gegenüber Umweltbedingungen, in der Boot- und Speichermedien in Maschinen oder Anlagen ihren Dienst tun müssen, zu nennen. Auch müssen Hersteller industrielle Speicher deutlich länger unverändert anbieten, um sich den langen Lebenszyklen der Maschinen und Geräte im Industriebereich anzupassen.

Dass hier SLC-NAND mit seiner im Vergleich zu MLC und TLC geringen Datenmenge und langzeitverfügbare Module mit fixer BOM maßgeblich sind, macht deutlich, wie anders die Prioritäten bei industrietauglichem Flash-Speicher liegen. Wie sieht es nun mit 3D-NAND aus? Die Entwicklung des 3D-NAND war ein Befreiungsschlag, denn lange Zeit erschien eine weitere Miniaturisierung von Memory Cards und SSD nicht mehr möglich. Mit Strukturbreiten von 10 nm war eine technologische und bei Kosten-Nutzen-Abwägungen schwer überwindbare Grenze erreicht worden. Erst 3D-NAND machte den Weg für eine weitere Miniaturisierung wieder frei. In wenigen Jahren konnten Hersteller das vertikale Stapeln von Lagen von 32 über 48, 64 bis hin zu 96 Lagen steigern – und die Entwicklung geht weiter. Aber stellt die Technologie auch für industrielle Anwendungen einen Fortschritt dar?

Eigentlich weniger störungsanfällig

Wenn man 2D- und 3D-NAND vergleicht, fällt auf, dass die aktive Fläche der Zelle und Größe des Speicherbereichs stark angestiegen sind. Die Zelle wölbt sich jetzt um die Bitleitung herum und kann dadurch viel mehr Ladung ansammeln, was die Speicherung von Bits als Ladungsunterschiede zuverlässiger macht. Außerdem konnten Hersteller die elektrische Störung durch die Nachbarzellen verringern und damit der Störspannungsabstand verbessern.

Diese technologischen Vorteile aber wurden vorrangig für die Speicherkapazität genutzt, um Speicherplatz billiger zu machen. Dabei bietet 3D-NAND die Möglichkeit, auch die Lebensdauer zu erhöhen. Zum Vergleich: Bei der 2D-MLC-NAND-Technologie lässt sich jede Zelle 3000 Mal löschen und neu programmieren. Danach ist die Zelle soweit degradiert, dass eine Mindestspeicherfähigkeit von einem Jahr nicht mehr garantiert werden kann. Mit 3D-MLC-NAND wären technologisch deutlich mehr Löschzyklen erreichbar. Am Markt überwiegt jedoch 3D-TLC-NAND. Hier wurde der Gewinn an Ladung in der Zelle dafür investiert, die Zahl der Bits pro Zelle zu erhöhen. Als Resultat verharrt die maximale Anzahl der Löschzyklen bei 3D-NAND weiter bei 3000. Und dies übrigens mit großem Aufwand. Während man die 3000 Löschzyklen aus 2D-NAND mit einer einfachen 40-Bit-pro-1-KiB-BCH-Korrektur erreichen konnte, braucht man für die gleichen 3000 Löschzyklen bei 3D-NAND mindestens eine 120-Bit-Fehlerkorrektur. Dieses neue Verfahren, LDPC genannt, benötigt eine Menge mehr Checkbits und damit mehr Siliziumfläche im Controller und mehr Rechenzeit der Korrektursoftware. Das gilt insbesondere, wenn am Lebensende die Anzahl der fehlerhaften Bits ansteigt. Ältere Controller haben nicht die geforderten Ressourcen und können somit auch 3D-NAND nicht ansteuern.

Größerer Firmware-Aufwand

Die Schattenseite der technischen Entwicklung: Je mehr Bits durch verschiedene Spannungslevel pro Zelle gespeichert werden, desto störanfälliger sind die Zellen Swissbit

Nicht nur die Fehlerkorrektur ist aufwendiger, 3D-NAND bringt auch bisher unbekannte neue Fehlermechanismen mit sich. Dem müssen Hersteller mit neuen Firmware-Funktionen begegnen. Hier wäre insbesondere Block-RAID zu nennen. Mit diesem Feature lassen sich Ausfälle eines kompletten Blocks beheben. Das war vorher nicht möglich, aber auch nicht nötig. Ohne dieses Feature treten unter Umständen Systemausfälle im Bereich von bis zu 1000 DPPM (Defective Parts Per Million: Ausfälle pro Million Geräten) auf. Für Consumer-Produkte ist dies noch tragbar und Block Raid wird meist nicht implementiert. Für Industrieprodukte ist solch eine Fehlerrate jedoch nicht akzeptabel. Damit wird die Korrektur von Block-Ausfällen Pflicht und verlangt sowohl aufwendigere Firmware als auch die Bereitstellung größerer Redundanz. Das belegt zusätzliche Speicherbereiche und erhöht die Schreibverstärkung (WAF), die wiederum die Lebensdauer der SSD verringert.

Temperaturempfindlichkeit ausgleichen

Ein weiterer aufwandssteigernder Unterschied zwischen 2D und 3D ist der Cross-Temperature-Effekt. Es geht dabei um die Homogenität der Zellen in einem Array. Bei 2D-NAND konnte man davon ausgehen, dass Zellen in einer Page die gleiche Kapazität aufweisen. 3D-NAND hat wesentlich bessere Zelleigenschaften, zeigt aber sehr hohe Streuungen in den Kapazitäten. Der Grund: Eine Bitline bei 3D-NAND kann man sich als dünnes Loch vorstellen, das durch 64 Lagen geätzt wird. Im Idealfall wäre ein Loch in der obersten Lage genauso groß wie eines am Boden des Stapels. Die Realität sieht jedoch anders aus. Die oberste Lage hat einen viel größeren Lochdurchmesser als die unterste und damit eine völlig andere Zellkapazität und Referenzladung. Alle 64 Zellen zwischen der obersten und unteren Lage gehören zur gleichen Bitleitung und dem gleichen Spannungsdetektor. Innerhalb dieser Bitleitung variieren die Spannungspegel stark, weshalb hier eine permanente Kompensation notwendig ist. Kommen wechselnde Temperaturen hinzu, wird die Arbeit des Detektors sehr schwierig. Wenn das System etwa bei tiefen Temperaturen schreibt und bei hohen liest, dann sind die Spannungsverhältnisse komplett anders, als wenn bei hohen Temperaturen geschrieben und bei tiefen gelesen wird. Alle extremen Temperaturen sind für 3D-NAND kritisch. Der Betrieb unter -10 °C oder bei 85 °C bewirkt Leseprobleme durch die Verschiebung der Spannungspegel. Kommen weitere Störungen hinzu, droht Datenverlust. Bei Standard-Consumer-3D-NAND beträgt der erlaubte Wechsel zwischen Schreib- und Lesetemperatur ungefähr 45 bis 50 K. Das bedeutet, dass bei 20 °C Schreiben und bei 65 °C Lesen möglich ist. Für Consumer-Produkte reicht das, doch industrielle Temperaturanforderungen sind beispielsweise auf -40 °C bis 85 °C spezifiziert. Das wäre eine Cross-Temperatur von 125 K: zweieinhalbmal höher als für Consumer-Laufwerke erlaubt. Auch hier braucht es daher speziell auf die industriellen Anforderungen getrimmte 3D-NAND-Flash-Produkte.

Also doch nur SLC?

Obwohl 3D-NAND auf Ebene der einzelnen Zelle zuverlässiger ist als 2D-NAND führt die Motivation, mehr Speicher zu immer niedrigeren Preisen zu bieten dazu, dass Beschreibbarkeit (Endurance) und Speicherfähigkeit (Retention) seit Einführung der neuen Technologien stetig sinken. Um 3D-NAND für den industriellen Einsatz brauchbar zu machen, ist ein hoher Aufwand notwendig. Benötigen Anwendungen aufgrund eines hohen Schreibaufkommens eine Lebensdauer im Bereich von über 50.000 Zyklen, ist man hier weiterhin auf SLC angewiesen – besonders, wenn die Schreibvorgänge aus kleinen Datenblöcken bestehen. Die Preisschere geht jedoch immer weiter auseinander. SLC ist nur noch dort einsetzbar, wo die technischen Anforderungen und die Kosten für einen Austausch des Speichers so hoch sind, dass über die Lebensdauer die Gesamtproduktkosten mit SLC am niedrigsten sind.

Interessante Alternative: pSLC aus 3D-NAND

Für den industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C geeignet: Die Swissbit-X-75-SATA-6Gb/s-SSDs, als 2,5-Zoll-SSD und in den Varianten M.2 2280 und 2242 sowie mSATA und SlimSATA erhältlich. Swissbit

Es gibt im Bereich der industriellen Flash-Speicherlösungen einen interessanten Trick, um die Lebensdauer zu erhöhen: Pseudo Single Level Cell (pSLC). SLC ist robuster, weil nur ein Bit pro Zelle gespeichert wird und dadurch der Störabstand größer ist. pSLC ist ein Betriebsmodus, der von einer Multi-Bit-Zelle nur 2 Pegel nutzt (MSB; Most Significant Bit). Das erhöht den Störabstand in der Zelle und verringert zugleich den Stress verringert. So lässt sich die Zelle häufiger löschen und neu programmieren. In der Praxis erhöht sich bei MLC (2D) die Anzahl der Löschzyklen von 3.000 auf 20.000 Zyklen bei der Arbeit mit nur einem Bit. Das bedeutet eine siebenmal höhere Endurance bei doppeltem Preis für die gleiche Kapazität.

Swissbit nutzt auch bei 3D-MLC oder 3D-TLC den pSLC-Mode. Aufgrund der besseren Zellen sind hier die Gewinne noch größer. Statt 20.000 Zyklen bei 2D-pSLC sind 30.000 bis 40.000 Zyklen bei 3D-pSLC möglich. Die Lagerfähigkeit beträgt weiterhin ein Jahr am Ende der Lebensdauer. Swissbit bietet mit allen neuen 3D-NAND-Produkten auch eine Single-Bit-per-Cell-Variante an. Aufgrund von Over-Provisioning und der Löschrate ist ein Produkt im 3D-SLC-Modus ein potenzieller Ersatz für 2D-SLC- und 2D-pSLC-Produkte mit nahezu gleichen Eigenschaften bei günstigerem Preis. Swissbit bietet beispielsweise mit der N-16m2 und N-18m2 zwei PCIe/NVME M.2 SSDs, mit der X-76-Familie mehrere Formfaktoren von SATA Gen3 SSDs (2,5″, mSATA, M.2, SlimSATA) und mit der U-58 ein USB-Modul mit 3D-SLC-Technologie.

3D-NAND für industrietaugliche Speicher

Swissbit verwendet für seine 3D-Produkte einen speziellen NAND-Flash, der auch den industriellen Temperaturbereich unterstützt und hohe Lebensdauer des Produkts verspricht. Doch wie die Ausführungen gezeigt haben, ist auch die Art der Nutzung der Speicherzellen durch Controller und Firmware entscheidend für die Eignung in der jeweiligen Anwendung. Mit zusätzlichen Features wie DRAM-Unterstützung, Hintergrund-Refresh und Thermal Management sind Swissbit-3D-SLC-Speicherprodukte schnelle, zuverlässige und langlebige Lösungen zu attraktiven Preisen. Auch jenseits der bewährten 2D-SLC-Chips sind weiterhin industrielle Memory-Lösungen möglich.

(prm)