Abhängig von der Anwendung entscheiden unterschiedliche Aspekte die Auswahl eines Flash-Speicher-Moduls für industrielle Embedded-Lösungen: Schreib- und Lesegeschwindigkeit, die Lebensdauer von Flash-Medien (Endurance), die Lebensdauer der gespeicherten Daten (Retention), Datensicherheit bei Stromausfall, Temperatur- und Vibrationsunempfindlichkeit sowie die langjährige Lieferbarkeit eines definierten Produkts. Maßgeblich entscheidend für viele dieser Aspekte ist ein Flash-spezifischer Effekt: die Alterung von NAND-Chips.

Bild 1: Eine alternde Speicherzelle: In der Tunneloxidschicht sammeln sich Elektronen, wodurch sich die Schwellspannung der Zelle verschiebt, bis diese nicht mehr lesbar ist.

Bild 1: Eine alternde Speicherzelle: In der Tunneloxidschicht sammeln sich Elektronen, wodurch sich die Schwellspannung der Zelle verschiebt, bis diese nicht mehr lesbar ist. Swissbit

Die Zellen eines NAND-Flashs überstehen nur eine begrenzte Zahl von Löschungen. In der Oxidschicht, die das Abfließen der Elektronen aus dem Floating-Gate verhindert, sammeln sich bei jeder Erzeugung des Tunneleffekts durch die Programmierspannung Elektronen mit erhöhtem Energieniveau an. Damit verschiebt sich auf Dauer die Schwellwertspannung der Speicherzelle, bis diese nicht mehr lesbar ist (Bild 1).

Flash-Alterung – wann ist Schluss?

Ein zweiter Alterungseffekt kommt hinzu: Die Entstehung leitender Pfade durch die Oxidschicht, wodurch eine Zelle allmählich ihren Ladungszustand und damit das gespeicherte Bit verliert. Hohe Temperaturen verstärken diesen Effekt massiv. Untersuchungen an einem 25-nm-MLC-NAND (Multi-Level Cell) haben gezeigt, dass die Retention nach fünf Jahren bei 55 °C auf etwa 75 Prozent fällt. Bei einer vergleichweise moderaten Temperaturerhöhung auf 85 °C fällt die Retention bereits auf unter 10 Prozent.

Der Effekt nimmt mit der Zeit immer stärker zu, je mehr sich die Zelle dem Wert ihren maximalen Programmier-Lösch-Zyklen (P/E-Zyklen) annähert. Die Auswirkung auf die Retention ist gewaltig: Kann man sowohl bei einem Single-Level-Cell-NAND als auch bei einem Multi-Level-Cell-NAND ursprünglich von einer Retention von zehn Jahren ausgehen, liegt diese am Ende des Lebenszyklus nur noch bei einem Jahr. Dieser Punkt ist beim MLC bereits nach 3000 P/E-Zyklen erreicht, beim SLC erst nach 100.000 P/E-Zyklen. Diese hohe Anzahl an P/E-Zyklen ist der wichtigste Grund, weshalb SLC-Speicher ungeachtet ihrer höheren Kosten im industriellen Umfeld weiterhin die bevorzugte, weil dauerhaftere Wahl darstellen.

Die Problemfelder Ladungszustand und Schwellspannung sind auch der Grund, warum die im Consumerbereich beliebten, preisgünstigen Triple-Level-Cell-NAND-Chips (TLC) als Basis für langlebige Speicher in industriellen Anwendungen nicht in Frage kommen. Um 3 Bit pro Zelle zu schreiben, müssen bei TLC-Speichern acht verschiedene Ladungsniveaus unterscheidbar sein. Dabei  machen sich die degenerativen Effekte viel schneller bemerkbar, denn die ursprüngliche Retention sinkt beim TLC-Speicher bereits nach 500 P/E-Zyklen von einem Jahr auf drei Monate.

 

Auf Seite 2 erfahren Sie, was es mit Pseudo-Single-Level-Cell auf sich hat und warum bei Herstellerangaben zur Endurance Vorsicht geboten ist.

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