Flash - Flashkarte - USB Stick - SSD

Einleitung

Die Geschichte der Flash-Speicher ist eng verbunden mit der Geschichte der Digitalkamera. Das erste Compact Flash Medium mit vier Megabyte Kapazität wurde 1994 von SanDisk vorgestellt. 1998 stellte Sony den ersten Memory Stick vor. Im Jahre 2000 stellte IBM den ersten 8MB USB stick vor. Das Thema SSD geistert schon seit 1999 in der Branche umher, aber erst im Jahre 2005 wurde durch die Einführung der 1,8“ und 2,5“ SSD von Samsung und einigen anderen Unternehmen der Markt für die SSD vorbereitet und gestartet. Bedingt durch den stetigen Preisverfall (u.a. durch die Verkleinerungen der Strukturen = shrink) und damit Öffnung des Massenmarktes z.B. als Ersatz für eine HDD, wird der SSD eine große Zukunft vorhergesagt.

Hier soll nur das Thema Nand-Flash und deren Einsatz in Karten mit Schwerpunkt SSD beschrieben werden.

Unterschiede der Nand-Technologie

Generell kann bei der Nand-Technologie zwei Flash-Typen unterschieden werden:
SLC und MLC.

- Single-Level-Cell (SLC) sind Speicherzellen bestehend aus NAND-Flash, in denen pro Speicherzelle ein Bit gespeichert werden kann.

- Multi-Level-Cell (MLC)

Die MLC kann je nach Ausführung 2 oder 4 Bitzustände speichern.
Daraus ergibt sich:
- höhere Schreibdichte
- höhere Zugriffszeit
- günstiger Preis (pro Flash)
- größere Fehlerwahrscheinlichkeit

Damit ergibt sich schon die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Techniken. D.h. die SLC kann schneller gelesen und beschrieben werden, ist aber teurer als die MLC, die mehr Bits auf einer Zelle abspeichern kann, aber langsamer ist und etwas mehr anfälliger.

Technologie: Schreib-Löschvorgang

Der Löschvergang greift tief in die Zelle und damit der Oxidschicht ein. Es muss mit einer hohen Spannung (negativen) der Zustand der Flashzelle, sprich abgespeicherte Elektronen in der Floating-Gate, verändert werden. Bevor eine Zelle neu beschrieben werden kann, muss diese zuerst gelöscht werden. Deshalb spricht man auch immer von Lösch-Schreibzyklen.

Beim Löschen, das wegen der erwähnten hohen Spannung nicht zellenweise sondern blockweise gemacht werden muss, durchtunneln die Elektronen die Oxidschicht. Dadurch wird bei jedem Löschvorgang die Oxidschicht etwas mehr beschädigt (dünner), bis hin zum Verlust der Zelle. Die Elektronen bleiben nicht mehr auf dem Floating-Gate gefangen bzw. die Zelle ändert ihren Zustand und die auf der Speicherzelle gespeicherte Information ( 1 Bit) geht verloren.

Deshalb geben die Hersteller der Flashspeicher in den Datenblättern nur eine bestimmte Lebensdauer bzw. Lösch-Schreibzyklen an. Bei SLC sind dies bei den aktuellen Flashbausteinen meistens 100.000 Zyklen, bei MLC sind es 10.000 Zyklen sowie Datenerhalt von 10 Jahren. Diese Werte sind aber meistens bei einer Temperatur von 25Grad Celsius angegeben.

Durch das blockweise Löschen ergibt sich u.a. die unterschiedliche Schreibgeschwindigkeit ( Beispiel: lesen 100MB und Schreiben „nur“ 80MB ) Die Werte sind für eine SSD und nicht für den einzelnen Chips angegeben. Der Defekt einer einzelnen Zelle macht einen Flash-Speicher noch lange nicht unbrauchbar. Ausfälle einzelner Zellen werden durch eine Fehlererkennung erkannt und in einem geschützten Bereich, dem sogenannten Spare-Bereich, protokolliert. Damit der Flashspeicher so lange wie möglich „überlebt“, wird ein sogenanntes Wear-Leveling-Verfahren angewandt.

Dabei werden die Lösch-/Schreibezyklen nicht immer bei der Adresse 0 begonnen, sondern die Firmware so ausgelegt, dass sie die Lösch- Schreibaktionen möglichst gleichmäßig über den gesamten Speicherbereich eines Bausteins verteilt.
Neben der Zahl der Lösch/Schreibzyklen, ist auch die der fehlerfreien Datenhaltung, die Retention eine wichtig Kenngröße für die Flashzelle.
Es handelt sich um eine minimal vom Hersteller des Speichers garantierte Zeit, in der eine einmal eingespeicherte Information fehlerfrei bleibt, das heißt keine Datenverluste auftreten. (siehe oben)
D.h. die Anzahl der Löschzyklen von NAND-Flash-Speichern ist nicht genau zu ermitteln.

Grenzen der Skrink-Prozesse

Bei Flash-Halbleitern ist die halbdurchlässige Isolierschicht, die besonders dünn sein soll, um das Floating Gate besonders kritisch. Etwas um die 10 Nanometer gelten derzeit als untere Grenze. Dadurch wird es sehr schwierig, Strukturen unterhalb von 43 Nanometern herzustellen. Diese Isolierschicht soll die Elektronen mit wenig Aufwand (niedrige Schreibspannung) hineinlassen und unter Umständen für über zehn Jahre ohne Verluste „festhalten“. Beim Löschen vor dem Wiederbeschreiben sollen die Elektronen mit wenig Aufwand (niedrige Löschspannung) wieder vollständig entfernt werden. Derzeit bewegen sich die Flash-Hersteller in Bereichen von 43 bis 45 nm. Um weiter zu skrinken und die Elektronen (=gespeicherte Information) zu halten, sind die Hersteller wie Wissenschaftler gefragt, neue Materialen zu finden. Einer banalen Erwartung, dass die Flash-Preise immer weiter sinken werden und damit die SSD ihren Siegeszug endgültig antreten wird, sind noch etliche Steine aus dem Wege zu räumen. Ich denke, dies werden die Wissenschaftler aber auch immer wieder lösen, bis hin zum organischen Speicher. Als ich mein Studium der Nachrichtentechnik im Jahre 1983 begann, sollte die Grenze für Siliziumstrukturen bei 100nm gelegen und das Ende der Verkleinerungen ca. im Jahre 2000.

Lebensdauer Flash, Lebensdauer Karte/SSD

Genau diese Thematik der Frage, wie lange kann ich eine Flashkarte, einen USB Stick oder SSD betreiben?

Wie lange ist die Lebensdauer? Bleiben meine Daten sicher gespeichert, oder verliere ich wichtige Daten, Dokumente, Bilder, Videos etc stellt sich immer mehr.

Dieses Thema war und ist bei der Flashkarte immer wieder im Gespräch und kommt jetzt im Zuge der Einführung und Massenanwendung der SSD, speziell bei Industriekunden wieder ins Gespräch.

Hierzu müssen die wichtigsten Komponenten der Flashkarte, USB Stick bzw. SSD einzeln diskutiert werden. D.h. der verwendeter Flash, der verwendeter Controller und welche Maßnahmen der Hersteller des Controller schon im Controller und der sogenannten Firmware macht, und welche dann der Hersteller der Flashkarte / SSD machen kann bzw. wird. Zum Teil ist es eine Frage des Machbaren aus Sicht der Bauteile und des Machbaren aus Sicht der Firmware/Software/Programmierung. D.h. wie viel Aufwand kann ich betreiben um wirtschaftlich noch sinnvoll eine Lösung anzubieten.

Wie oben erwähnt, gibt es eine gewisse Lebensdauer-Angabe der Flashzellen, die vom Hersteller der Flashbausteinen auf die sichere Seite gelegt wird. Die Flashzelle selber hält (wahrscheinlich) höhere Lösch-Schreibzyklen aus, was Studien und Test zeigen. Hier sind z.B. statt 100k Lösch-Schreibzyklen pro Flashzelle ( lt. Datenblatt) Werte getestet worden in Richtung mit 300k, 500k und höher.

Die Firma MSC wird in Kürze ein Tool anbieten, dass eine Tendenz der „Lebensdauer“ bei Kompact Flashkarten anzeigen kann. Hierzu werden u.a. die Schreibintensität, der Löschzähler und die Spareblocks berücksichtigt. Dies ist überhaupt nicht einfach, wenn man o.g. Problematik sieht und eines noch nicht diskutiert hat, die Applikation, d.h. das Einsatzgebiet der Flashkarte bzw. SSD. Ein ganz wichtiges Thema, wenn man die unterschiedlichen Applikationen überdenkt: Notebook, Industrierechner, Raid-System, PDA, Navisystem, MP3-Spieler, Medizintechnik, Kamera, Videogerät, Server, militärische Anwendung, Automobilzubehör, etc.

Wird der Flash ganz wenig beschrieben und hauptsächlich nur gelesen, ergibt sich kaum die Frage der Lebensdauer, abgesehen von dem Datenerhalt über die Jahre, wo auch die Lagerung (Temperatur) eine Rolle spielt. Wird die Flashzelle aber extrem oft beschrieben, stellt sich die Frage, welcher Controller, welche Firmware, welches Wear-Leveling, Bad Block Management, welche Temperatur, welcher Flash, wie viele Spareblocks reserviert wurden, wie viel Bit ECC Korrektur. Z.B. schwankt die Angabe bei der ECC je nach Hersteller von 2 bit, 4bit, 6bit und 7 bit-Korrektur. Bei SSD sind je nach Hersteller z.B. 2 % von der kompletten Speichergröße als Spare Block reserviert. Damit kann das „Bad Block Management“ kaputte Zellen erkennen und durch Spare blocks ersetzen, sofern noch welche da sind. Speziell bei den SSD haben manche Hersteller, die von den HDD bekannte S.M.A.R.T Funktion schon onboard. SMART steht für: Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology. D.h. hier sprechen wir u.a. von Fehlermonitoring, Grenzwertüberwachung, Zustandsabfrage, Temperaturüberwachung, Bestirebsstundenzähler, etc.

Wie funktioniert SMART?

Die SSD überwacht und analysiert spezifische Parameter und leitet daraus eine Prognose drohender Fehlerbedingungen. Besteht die Gefahr eines Fehlers, wird dies über den SMART -Status gemeldet.

Flashkarten, USB-Sticks und SSD

MSC bietet die komplette Palette an Flash-Technologie für den Markt und damit für den Anwender. D.h. bevor eine Flashkarte, USB-Stick oder SSD angeboten wird, sollte über den Einsatz und Anforderung des Anwenders gesprochen werden. Hierzu hat MSC einen internen Fragebogen entworfen, der Themen klären soll wie z.B.:

Consumer Anwendung (Standard, Standard-Geräte) oder industrielle Anwendung. Hier trennen sich schon mal die Wege. Fragen über die Häufigkeit der Schreib-Löschzyklen, Geschwindigkeit im Lesen und Schreiben, Zugriffszeit, MTBF, Temperaturbereich und letzten Endes das Budget entscheiden über die Empfehlung der richtigen Karte/USB/SSD und machen den Preis der Bausteine aus. Speziell für kundenspezifische Anforderungen kann MSC die SD-Karte, den USB-Stick und die Compact Flashkarte auf die angeforderte Applikation entwerfen, entwickeln und anbieten. Hier arbeitet MSC sehr eng mit dem Controller-Hersteller Hyperstone, und im Flashbereich mit dem Marktführer Samsung zusammen. Die Qualität der Samsung Flash und die Erfahrung und Flexibilität der Firma Hyperstone im Controllerbereich, ergibt ein optimales Zusammenspiel der einzelnen Komponenten und des Kartenherstellers MSC. Dies ist eine typische Anforderung für sogenannte OEM ÖVarianten. Hier kann MSC auch die Programmierung, Belabelung, und Verpackung, falls gewünscht, übernehmen.

Derzeit sind im Bereich der SD Karten die Speichergrößen 256MB bis 2GB als SD und mircoSD sowie von 4GB bis 16GB die SDHC ÖTypen lieferbar. Kleinere Kapazitäten als 256MB (64MB und 128MB) sind als OEM Variante in Absprache mit Kunden und entsprechender Stückzahl zu realisieren. MSC offeriert hier die Hersteller SanDisk, Samsung, Kingmax, PQI und TRS*.

Bei den Compact Flashkarten werden die Hersteller SanDisk, PQI und TRS* angeboten.

Hier wird ein spezieller Augenmerk auf die industriellen Anforderungen gelegt. D.h. es werden die Karten auch im erweiterten Temperaturbereich und als „industrial Grade“ diskutiert und angeboten. (Applikationsspezifisch)

Bei den USB Sticks kann MSC Varianten von SanDisk, Kingmax, PQI, AddOn, AENEON und TRS* anbieten.

Im Bereich der SSD hat MSC folgende Hersteller im Programm:

Samsung, SanDisk, Mtron, TRS*

Derzeit gibt es SSD in Größen ab 16GB bis 64GB , in Kürze 128GB. Sicherlich ist der Preis in vielen Fällen für einen Einsatz nicht akzeptabel, aber dies wird sich in den nächsten 1 bis 2 Jahren ändern.

SSD besticht nicht nur durch merklich geringere Zugriffszeiten beim Lesen als mechanische Festplatten, sondern punktet auch bei der physischen Widerstandsfähigkeit. Die meisten SSD werden als 2,5”-Modell angeboten. (Es gibt auch eine 1,8“ und 3,5“). Die Installation solcher Festplatten in 2,5”-Laufwerksschächte ist problemlos. Der Einbau in einen 3,5”-Laufwerksschacht ist über simple Einbaurahmen machbar. Zudem verkraften die Flash-Produkte eine größere Spanne an Betriebstemperaturen als mechanische Festplatten. Die neuen Flashbausteine haben umgerechnet eine Lebenserwartung von über 100 Jahren ( 2Mio Stunden bei SSD zu 300k Stunden bei HDD)

Vergleichsdaten einer SSD 32GB und einer HDD als Beispiel:

	SSD	HDD
Leistung Leerlauf	0,1 Watt	0,8 Watt
Leistung Zugriff	0,5 Watt	2,0 Watt
Zugriffszeit	0,1 ms	2 ms
Schockbetrieb	1500 G	350 G
Geräuschentwicklung	0 db	29 db
Gewicht	54 g	102 g
Lesen	120 MByte	50 MByte
Schreiben	100 MByte	50 MByte

Wenn über SSD gesprochen wird, ist zu beachten, dass es sehr unterschiedlich bestückte Varianten gibt. Einmal die Versionen mit SLC oder MLC, dann die Unterschiede bei: Controller, Firmware, Aufbau, Struktur, ECC, Temperaturbereich, MTBF. Dies bedeutet letztendlich für den Käufer bzw. Anwender einen enormen Preisunterschied bei gleicher Kapazität. So kann z.B. eine 16GB SSD, bestückt mit MLC und günstiger Controller (lesen bei 30MB/s, schreiben 20MB/s) bei ca. € 160 liegen, während eine 16GB bestückt mit SLC und besserem Controller (lesen 100MB/s, Schreiben bei 80MB/s) bei einem Preis von ca. € 300 liegen.

Trend/Tendenz

Lt. iSupply war der Flash Markt ca. 13,9 Mrd $ in 2007 und soll auf 15.2 Mrd $ in 2008 wachsen. Im Jahre 2009 werden wir über 128GB (MLC) USB Sticks reden, über 32GB Compact Flashkarten (SLC), über 32GB SD Karten und über 256GB SSD. Der Markt für SSD soll bis im Jahr 2012 auf über 10Mrd. wachsen, lt. Analysten. Hauptanteil sollen dabei alle mobile Geräte sein, die schon oben erwähnt wurden.

Dipl.Ing.(FH) Robert Herth

MSC Vertriebs GmbH