Die Lebenserwartung von Flash-Speicher erhöhen

Verschiedene Faktoren sind für den Verschleiß einer SSD verantwortlich. Scott Harlin erklärt, wie man trotzdem seine SSD lange nutzen kann.

NAND-Flash-Speicher für Daten ist sehr weit verbreitet und kommt in Mobiltelefonen, Tablets, Digitalkameras, LAN-Switches, digitalen Set-Top-Boxes (STBs), Embedded Controllern und natürlich in SSDs zum Einsatz. 

Die Größe der neuen NAND-Flash-Speicher-Produkte wird immer weiter reduziert, wobei die maximale Anzahl der Lese-/Schreibzyklen steigt und der Stromverbrauch sinkt. Dank seiner Fähigkeit, die pro-Bit-Kosten zu reduzieren und gleichzeitig höhere Speicherkapazitäten zu bieten, ersetzt der NAND-Flash-Speicher weiterhin erfolgreich die Festplatten-Speicherung (HDD) in Unternehmen.

Eines der Merkmale, die mit dem NAND-Flash-Speicher assoziiert werden, ist die Tatsache, dass er nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen unterstützt. Da die Bits in einem Speicherblock des NAND-Flash-Speichers gelöscht werden müssen, bevor neue Daten darauf geschrieben oder programmiert werden können, werden die Programm- und Löschzyklen (Englisch: P/E) irgendwann die Oxydschicht in den Floating-Gate-Transistoren des NAND-Flash-Speichers zerstören. Mit der Zeit können einzelne Zellen allmählich versagen, was die allgemeine Leistung beeinflussen kann.

In diesem Artikel werden die mit SSD Flash-Speicher assoziierten Faktoren diskutiert, insbesondere im Rahmen der Reduzierung von Prozess-Geometrien. Ebenfalls enthalten ist eine kurze Darstellung der Widerstandsfähigkeits- und Verlässlichkeits-Tools, die zum Verringern der Flash-Abnutzung eingesetzt werden, die Lebensdauer des Laufwerks erhöhen und die Verlässlichkeit von Daten steigern.

Prozess-Geometrien werden immer kleiner

Als nichtflüchtige Speichertechnologie ist die Herstellung von NAND-Flash-Speichern mit hohen Kosten verbunden, und es muss nach Wegen gesucht werden, diese Kosten zu senken. 

Ein Weg besteht darin, die Prozess-Geometrie des Flash-Speichers selbst zu verkleinern, um mehr Flash-Chips aus einem Wafer herstellen zu können, womit wiederum die Herstellungskosten pro Chip gesenkt werden. Jedoch wird bei der Verwendung kleinerer Prozess-Geometrien die in jeder Flash-Zelle gespeicherte Ladungsmenge sowie die Verlässlichkeit der Zelle reduziert, was das Erzielen derselben Nutzungsdauer des Flash-Speichers in Hinblick auf die P/E-Zyklen erschwert.

Daher müssen die SSD-Hersteller angesichts der sich verkleinernden Geometrie dem potentiellen NAND-Flash-Abnutzungsfaktor entgegenwirken; und zwar mithilfe von Fortschritten in den Bereichen Produktarchitektur, Algorithmen und Controller. Abbildung 1 zeigt eine kurze Übersicht der Verkleinerung von Prozess-Geometrien (bezogen auf Toshiba NAND) seit 2009:

Abbildung 1: Toshiba NAND-Flash-Speicher Memory Prozess-Geometrien seit 2009

Der zweite Ansatz, der den NAND-Flash-Speicher günstiger macht, ist das Hinzufügen von einem oder zwei Extra-Bits zur Original 1-Bit großen NAND-Flash-Speicherzelle (bekannt als Single-Level Cell oder SLC), um 2 Bits pro Zelle (bekannt als Multi-Level Cell oder MLC) oder 3 Bits pro Zelle (bekannt als Triple-Level Cell oder TLC) zu unterstützen. 

Obwohl durch das Hinzufügen von 2 oder 3 Bits pro Zelle die Kapazität des Speichermediums unweigerlich verdoppelt oder verdreifacht wird, werden MLC oder TLC höhere Bit-Fehlerraten als SLC aufweisen, da mehr Spannungsniveaus geprüft werden müssen und ein falsches Auslesen des Zellenzustandes wahrscheinlicher ist.

P/E-Zyklen verstehen

Einzelne Bit-Zellen im NAND-Flash-Speicher sind in Seiten und Blöcke organisiert und sind als solche nicht auf der Bit-pro-Bit-Basis zugänglich. Stattdessen wird auf ganze Blöcke oder Seiten zugegriffen. 

Der moderne NAND-Flash-Speicher wird auf Seitenbasis gelesen und programmiert (typischerweise in Größen von 8 KB bis 64 KB) und auf Blockebene gelöscht (typischerweise in Größen von 1 MB bis 8 MB). Um auf den NAND-Flash-Speicher Daten zu schreiben, muss zuerst ein ganzer Block gelöscht werden. Erst dann können wieder Daten darauf geschrieben werden. Dies wird als Programm-/Lesezyklus bezeichnet.

Bei SSDs dienen P/E-Zyklen als Kriterien zur Quantifizierung der Widerstandsfähigkeit des Flash-Speichergeräts (wie z.B. einer SSD) und sind zu einer bestimmten Anzahl von P/E-Zyklen fähig, da jeder Zyklus zu einer geringen physischen Beschädigung an dem Medium führen kann. 

Diese Schäden können sich mit der Zeit anhäufen, was letztendlich dazu führt, dass das Gerät unbrauchbar wird. Die Anzahl von P/E-Zyklen, die ein bestimmtes Gerät aushalten kann, bevor es zu eventuellen Problemen kommt, hängt vom Typ des verwendeten NAND-Flash-Speichers ab (siehe Abb. 2).

Abbildung 2: Unterstützte NAND-Flash-P/E-Zyklen

Wie Flash-Abnutzung entsteht

Die starken elektrischen Felder, die bei P/E-Zyklen verwendet werden, können das Floating Gate und den Oxidisolator beschädigen, da Elektronen sich permanent ins und aus dem Substrat bewegen. Jeder Zyklus kann zu einer kleinen Menge an physischem Schaden am Medium führen, und da sich diese Schäden mit der Zeit anhäufen, kann der NAND-Flash-Speicher letztendlich unbrauchbar werden. 

Mit der Zunahme der P/E-Zyklen werden elektrische Ladungen in der Oxidschicht gefangen, was zu Verzerrungen der Schwellenspannung führt und letztendlich Datenfehler verursachen kann. Mit der zunehmenden Anzahl der P/E-Zyklen kann es auch zu einer Schwächung der Oxidschicht kommen, so dass die Ladungen am Floating Gate nicht mehr gespeichert werden können. Mit der Zeit führt dies zu Zersetzungen und Datenfehlern.

In größeren NAND-Flash-Speicher-Prozess-Geometrien stehen mehr Flash-Zellen-Konstruktionen zur Verfügung, wodurch höhere elektrische Ladungen gespeichert werden können. Auch haben diese weniger Auswirkung auf die geschwächten Oxidschichten und die gefangenen Ladungen. 

Wenn sich Prozess-Geometrien verringern, verfügen die Zellen über weniger Konstruktionen, was dazu führt, dass am Floating Gate viel weniger Ladung gespeichert wird. Dadurch wiederum wird die Empfindlichkeit gegenüber dem geschwächten Oxid und den gefangenen Ladungen erhöht, was das Langlebigkeitsmodell zu einer größeren Herausforderung werden lässt.

Der Flash-Abnutzung entgegenwirken

Um der Flash-Abnutzung und den sich verkleinernden Prozess-Geometrien – vor allem in Hinblick auf MLC-basierte Medien – entgegenzuwirken, entwickelten viele SSD-vertreibende Unternehmen fortschrittliche Tools zur Gewährleistung von Langlebigkeit und Verlässlichkeit. 

Ihre Funktion besteht in der Verlängerung der Nutzungsdauer von NAND-Flash-Speichern bei gleichzeitiger Gewährleistung der Widerstandsfähigkeit der Enterprise-Klasse, Verlässlichkeit und Datenintegrität, die von heutigen IT-Managern gefordert wird.

Darunter fällt Folgendes:

  • Mehrstufige BCH Fehlerkorrektur-Codierung (ECC), die zur effektiven „Live“-Fehlerkorrektur dient, wobei die Anzahl der nicht korrigierbaren Fehler deutlich gesenkt wird;
  • Fortschrittliche Lese- und Eingabe-Technologien mit variierenden Spannungsschwellen und weichen „datenbewussten“ ECC-Schemen versuchen, Datenfehler ein zweites Mal erfolgreich zu lesen und zu korrigieren;
  • Flash-Zellen-Parameteroptimierung, die die reale P/E-Zyklusdauer des Flash-Speichers selbst erhöht;
  • Geringe Lese-Amplification, die multiple Leseanfragen vom Host miteinander verbindet und dabei gleichzeitig die verschwenderischen Rückkopiervorgänge der unbeteiligten Datensektoren minimiert;
  • Abnutzungsausgleich, bei dem Daten so organisiert werden, dass die Programmzyklen unter allen Flash-Zellen gleichmäßig verteilt werden;
  • Eine im Hintergrund verlaufende „Müllabfuhr“ (Garbage Collection), bei der ermittelt wird, welche Flash-Zellen unnötige Daten enthalten, und die diese Blöcke zusammenführt oder löscht, um nutzbare Kapazitäten zurückzugewinnen;
  • System zur Selbstüberwachung, Analyse und Statusmeldung (Engl.: SMART), das die Speicherlaufwerke in einer Systemkonfiguration überwacht und analysiert, ihren Zustand überprüft und dabei Nutzern Fehlerberichte sendet, falls es zu Problemen kommt.

Die Langlebigkeit der SSD wird Herausforderung bleiben

Obwohl Unternehmens-SSDs im Vergleich zur HDD-Speicherung eine wesentlich bessere Datenverlässlichkeit ermöglichen, kann sich der NAND-Flash-Speicher mit der Zeit abnutzen, da in seinem Fall auf einzelne Zellen geschrieben wird. Bei Multi-Level-Cell-SSDs werden zur Speicherung zwei Bits pro Zelle verwendet, was im Vergleich zu Single-Level-Cell-SSDs eine doppelt so hohe Dichte ermöglicht. 

Auch geschieht die Abnutzung des NAND-Flash-Speichers viel schneller, was Tools erforderlich macht, um diesen Einschränkungen entgegenzuwirken. Bei Triple Level Cells (TLC) werden drei Bits pro Zelle verwendet. Ihr Abnutzungsfaktor stellt eine noch größere Herausforderung dar.

In naher Zukunft werden 3D-NAND Flash-Speicher-basierte SSDs ihren Weg in Unternehmen finden. Verbraucher-SSDs sind derzeit in der Entwicklungsphase. Der wesentliche Unterschied zwischen 3D- und 2D-NAND besteht in der Art und Weise wie der Flash-Speicher gebaut ist. 

3D-NAND wird „hochkant“ statt herkömmlich zweidimensional konfiguriert. Da die 3D-Flash-Zellenstruktur hochkant geneigt ist, können die Zellen fest genug im DIE integriert werden, um so die Flash-Dichte deutlich zu erhöhen.

Mit einer Fülle von schreibintensiven und erfolgskritischen Anwendungen zum Betrieb des Rechenzentrums wird von Unternehmens-SSDs erwartet, dass sie immer verfügbar sind, um Daten nach Bedarf zu neuen Orten zu verschieben, um die Leistung der Hauptanwendungen zu steigern oder einfach einen Datenzugriff in Echtzeit zu gewährleisten. 

Die Nutzungsdauer einer SSD hängt vollkommen von ihrer Flash-Abnutzung ab, so dass die Tools zur Gewährleistung der Widerstandsfähigkeit und Verlässlichkeit, die Techniken, Algorithmen und/oder Technologien, die in der SSD Anwendung finden, bei der Erhöhung der Nutzungsdauer des NAND-Flash-Speichers bei immer kleiner werdenden Prozess-Geometrien eine kritische Rolle spielen.

Über den Autor: 
Scott Harlin ist Marketing Communications Director für Enterprise-Produkte bei  OCZ Storage Solutions – ein Unternehmen der Toshiba-Gruppe. Harlin ist Marketing- und Kommunikationsspezialist mit Erfahrung im Bereich High-Tech sowohl auf Unternehmens- als auch Agenturseite. Im Laufe seiner Karriere hat er zahlreiche Artikel zu den Themen Enterprise-Storage, CAD-Ausgabegeräte und Computer-gestütztes Werbetechnik-Equipment veröffentlicht.

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Artikel wurde zuletzt im Januar 2015 aktualisiert

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