LDPC: Wie ein fünfzig Jahre alter Code Flash-Speicher auf die Sprünge hilft

Um ein fehlerfreies Lesen und Speichern mit Flash-basierten SSDs zu gewährleisten, verwenden die Hersteller fehlerkorrigierende Codes wie LDPC.

Der LDPC-Code ist ein Fehlerkorrektur-Code (Error Correction Code, ECC), der zur Erkennung und Korrektur von Fehlern bei der Übertragung von Daten dient. LDCP steht für Low Density Parity Check. Alle ECC-Typen beinhalten Korrekturdaten. Wenn es also zu einer Übertragung fehlerhafter Daten kommt, verfügt der Empfänger über ausreichende Informationen, um sie zu beheben. Dies geschieht selbstheilend, also ohne dass man die Daten erneut von der Quelle abruft. Somit ist eine konstante Geschwindigkeit bei der Datenübertragung gewährleistet. Dies ist zum Beispiel eine Voraussetzung für digitale Fernsehsignale.

Der erste LDPC-Code wurde 1960 von Robert Gray Gallager am MIT vorgestellt. Mit dem Code war Gallager seiner Zeit voraus, denn für die Verwendung des Codes waren ungeheure Rechenressourcen erforderlich – mehr als damals zur Verfügung standen. Das lag daran, dass die Röhrenrechner von 1960 weniger Leistung brachten als die mit Mikroprozessoren bestückten Rechner der heutigen Zeit. Im Jahr 1960 benötigte man einen Computer von der Größe eines 600 Quadratmeter großen Hauses, um LDPC-Korrekturinformationen in Echtzeit zu verarbeiten. Da sich dies im doppelten Wortsinn „nicht rechnete“, geriet LDCP für fast vierzig Jahre in Vergessenheit. Stattdessen griff man auf andere, einfachere Codes zurück.

Aus alt mach neu


Mitte der 1990er Jahre holten Entwickler, die an der Satellitenübertragung für Digitalfernsehen arbeiteten, die LDPC-Codes wieder aus der Versenkung, um sie für Echtzeit-Operationen einzusetzen. Zu diesem Zeitpunkt hatten sich der Platzbedarf und die Kosten für Computertechnik natürlich bereits drastisch reduziert.

Machen wir nun einen Sprung zur Entwicklung der letzten fünf Jahre, in denen die Entwicklung und Nutzung von LDPC-Technik einen Boom erlebte. Sie hat sich als die beste Lösung für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen entpuppt, insbesondere für Transfer, die in hohem Maß durch elektrische Störungen beeinträchtigt werden und daher höhere Fehlerquoten aufweisen. Zudem hat sich die Verarbeitungsleistung von Zielgeräten wie WLAN-Empfängern und Festplatten erheblich verbessert und ist inzwischen besser als die Leistung der Haupt-CPUs von vor wenigen Jahren. So lässt sich LDPC ohne große zusätzliche Kosten bereitstellen und ermöglicht zudem Echtzeitdatenkorrekturen, die denen einfacherer Codes überlegen ist.

Was macht LDPC-Lösungen für SSDs aus?

Viele LDPC-Anbieter behaupten, dass ihre Angebote mit den Funktionen konkurrierender Lösungen für SSDs mithalten könnten. Häufig ist dies aber nur die halbe Wahrheit. Allen LDPC-Lösungen liegt zunächst Hard-Decision-LDPC zugrunde – ein digitaler Korrekturalgorithmus, der bei allen Daten auf Zeilenebene ansetzt, die die Korrektur-Engine durchlaufen. Der Algorithmus verwendet die vom Benutzer generierten Metadaten und die Systemdaten, die auf dem Flash-Speicher abgelegt sind. Und er unterstützt die Wiederherstellung von Benutzerdaten, wenn der Flash-Speicher diese mit Fehlern zurückgibt. Hard-Decision-LDPC erkennt die meisten Fehler vom Flash-Speicher, sofern nicht eine übermäßige Anzahl auftritt. An dieser Stelle kommt Soft-Decision-LDPC, ein analoger Korrekturalgorithmus, zum Tragen.

Ist Soft-Decision-LDPC ausreichend?

Soft-Decision-LDPC ist eine Fehlerkorrekturmethode, bei der – abgesehen von den eigentlichen ECC-Daten – weitere Daten berücksichtigt werden. Bei dieser Methode werden quasi die Metadaten der Metadaten herangezogen. Bei der einfachsten Form von Soft-Decision-LDPC können die Daten einfach mit einer anderen Referenzspannung erneut gelesen werden, wie wenn man jemanden fragt: „Könnten Sie das wiederholen?“ Eine komplexere Soft-Decision-Technologie hingegen wäre vergleichbar mit jemandem, der einem Sprecher mit einem starken Akzent zuhört. Der Zuhörer erkennt zwar sofort, dass etwas in seiner Sprache gesagt wurde, kann aber nicht genau erfassen was das war. Er stellt also einige Fragen und anhand der Antworten findet er heraus, was gemeint war und kann wieder folgen. Dies könnte den Eindruck erwecken, dass die Antwort mehr oder weniger erraten wird, jedoch werden bei Soft-Decision-LDPC Statistiken herangezogen, um sicherzustellen, dass es sich bei den Antworten nicht um False Positives handelt. Dadurch wirft Soft-Decision-LDPC jedoch auch eine Reihe neuer technischer Probleme auf, die es zu lösen gilt. Und so eröffnen sich für die Hersteller von Flash-Controllern neue Chancen, sich mit Weiterentwicklungen Marktvorteile zu verschaffen. Entsprechend unwahrscheinlich ist es, dass diese Hersteller etwas darüber preisgeben, wie ihre Soft-Decision-LDPC-Technologie funktioniert.

Beim Flash Memory Summit im kalifornischen Santa Clara präsentierte LSI im August 2013 mit SHIELD eine neue Technologie zur Fehlerkorrektur. SHIELD umfasst Hard- und Soft-Decision-LDPC mit Digital Signal Processing sowie zahlreiche weitere Funktionen zur Optimierung künftiger NAND-Flash-Speicher-Operationen in IT-Umgebungen. Eine der Funktionen, genannt Adaptive Code Rate, sorgt gemeinsam mit anderen Funktionen dafür, dass der Reservebereich auf dem Flash-Speicher verkleinert werden kann, der vom Hersteller für ECC-Daten reserviert wurde. Im nächsten Schritt kann die Technologie ihn dann dynamisch erweitern und so den unvermeidlichen Anstieg an Flash-Fehlern bewältigen. Die Soft-Decision-LDPC-Funktion bietet ebenfalls mehrere Vorteile im Hinblick auf die Fehlerkorrektur. Der Trick besteht hier darin, dass die einzelnen Funktionen nur nach Bedarf zum Einsatz kommen, um eine möglichst geringe Echtzeitlatenz zu erzielen.

Die mit leistungsstarken Mikroprozessoren bestückten Computer von heute verfügen über die nötige Leistung, um moderne Fehlerkorrekturtechnologie zu unterstützen. Aber nicht alle LDPC-Lösungen sind gleich. Wer LDPC-Lösungen evaluiert, sollte darauf achten, wie sie die Datenkorrektur bewältigen, wenn die Kapazitäten der Hard-Decision-LDPC-Technologie nicht mehr ausreichen.

Mit seinem 1960 am Massachusetts Institute of Technology (MIT) vorgestellten LDPC-Code war Robert Gallager zukunftsweisend. Pioniere wie er haben immer noch Einfluss auf die Technologie, die auf den derzeit verfügbaren Flash-Speicher-Produkten genutzt werden.

Über den Autor: Kent Smith ist Senior Director Marketing für die Flash Components Division von LSI. Er ist verantwortlich für das gesamte Outbound-Marketing und für Performance-Analysen. Zuvor war Smith als Senior Director für den Bereich Corporate Marketing bei SandForce tätig, das 2012 von LSI übernommen wurde. Kent Smith verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in den Bereichen Marketing und Management für Computerspeicher und High-Technology, die er in Positionen im Senior Management von Unternehmen wie Adaptec, Acer, Polycom, Quantum und SiliconStor sammeln konnte. Sein MBA-Studium absolvierte an der University of Phoenix.

Artikel wurde zuletzt im Dezember 2013 aktualisiert

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