Solid State Disk - Schnell, aber sicher! - Flash Memory - beam-Verlag
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Flash Memory
Solid State Disk – Schnell, aber sicher!
Flash-Memory dominiert den Kapazität zu günstigen Preisen Der Vorgänger, EPROM, benöti-
Consumer-Markt für Elektronikge- ermöglichte die Ablösung rotie- gte energiereiche UV-Strahlung
räte. Ob Mobiltelefon mit fest einge-
render Speichermedien überall dort, für den Löschvorgang, EEPROMs
bautem Speicher, Kamera mit SD- wo diese mit ihren Eigenschaften können die Energie mit einer On-
Karte, oder der Datentransfer von nicht eingesetzt werden konnten Chip-Ladungspumpe erzeugen. Der
Desktop-PC zu Notebook-Com- oder sollten. Beispiele dafür sind wesentliche Unterschied zwischen
puter mit USB-Speicher, überall schnellere Zugriffszeiten – vor dem EEPROM und Flash ist, dass Flash-
hat sich Flash etabliert. Kommt esZugriff müssen keine Magnetköpfe Speicher nur blockweise beschrie-
auf kompakte Bauweise, schnellen positioniert werden – die Unemp- ben und gelöscht werden können.
Zugriff und Robustheit an, laufen findlichkeit gegenüber Vibrationen Der Zugriff auf eine einzelne Zelle ist
Solid State Disks den Festplatten und Schock, was sie für mobilen nicht möglich. Um ein Bit zu ändern,
mit rotierenden Scheiben den Rang Betrieb auszeichnet, die im Ver- muss ein gesamter Block in einen
ab. Die letzte Generation bietet in
gleich zu gleich großen Magnet- Zwischenspeicher ausgelesen, das
kompakter Chip-Bauform höchste speichern niedrigere Leistungsauf- Bit manipuliert und der gesamte
nahme und schnellerer Datentransfer,
Transferleistungen bei gleichzeitig Block zurückgeschrieben werden.
größter Datensicherheit. besonders beim Lesen von Daten. Flash speichert Daten nichtflüch-
Der Temperaturbereich von Halb- tig, indem eine elektrische Ladung
Warum SSD? leiterspeichern ist generell höher zwischen zwei Isolationsschichten
als der von magnetischen, daher eingeschlossen wird. Beim Schrei-
Die Verfügbarkeit von Speicher- auch die Eignung für industrielle ben und Löschen wird eine dieser
bausteinen mit ausreichend hoher Anwendungen. Schichten kurzzeitig leitfähig und
Dem gegenüber stehen die Nach- lässt Ladungen zu- und abfließen.
teile der Abnutzung durch Alterung Der Lesevorgang ist nicht-destruk-
der Zellen und die kritische Phase tiv und kann beliebig oft erfolgen.
des Verlusts der Versorgung wäh- Schreib- und Löschvorgänge las-
Kurz gefasst rend des Schreibvorgangs, was aber sen die Zelle altern. Dadurch ver-
auf Magnetscheiben genauso zutrifft. schlechtert sich der Isolations
Solid State Disks sind stark im Kommen und widerstand, und die eingeschlos-
sene Ladung kann im Laufe der
lösen die rotierenden Speichermedien ab. Im Was ist eigentlich Flash? Zeit abfließen.
Folgenden werden ihre Vorteile sowie ihre Um die Speicherdichte weiter zu
Technologie beschrieben. Flash bezeichnet eine Technolo- erhöhen, haben die Halbleiterher-
gie, mit der es möglich wird, Daten steller weitere Strategien entwickelt:
nichtflüchtig elektrisch in einem die ursprünglich planare Anlage der
Halbleiter zu speichern, zu modi- Speicherzellen wird in einen V-för-
fizieren und wieder zu löschen. migen Graben verlegt (V-NAND), und
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die Anbindung von nichtflüchtigen
Halbleiterspeichern über den PCIe-
Bus beschreibt.
Controller
Für den praktischen Einsatz der
Flash-Technologie in Form einer
SSD ist ein Controller unabding-
bar. Er wandelt die Flash-Schnitt-
stelle elektrisch und logisch in ein
Format um, über das sie an einen
Computer angeschlossen werden
kann. Die Verwaltung der Flashbau-
steine und die Kommunikation über-
nimmt eine Firmware, die exakt auf
die Hardware angepasst ist, um die
maximale Leistung aus den Spei-
chern herauszuholen und einen
sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Für die folgenden Betrachtungen
soll die neue PCIe FerriSSD von
Bild 1: Aufbau einer SSD Silicon Motion als Grundlage die-
nen. Sie vereint alle Funktionen auf
es werden in einem Chip mehrere Was ist ein Solid State Drive fügung, wie die PCIe FerriSSD von nur einem einzigen Chip: Host-Con-
Dies übereinander gestapelt und (SSD)? Silicon Motion. troller, 3D NAND mit bis zu 256 GB
elektrisch miteinander verbunden mit einem mehrstufigen Cache und
(3D NAND). So kann in einem sehr Jedec (Joint Electron Device Engi- Host-Interface einer leistungsfähigen Firmware.
kompakten Gehäuse eine große neering Council), die Organisation
Speicherkapazität realisiert werden. zur Standardisierung von Halb- Für die ersten Generationen von Wear Leveling
leitern, definiert: „Ein Solid State SSDs wurde das von Magnetschei-
Drive (SSD) ist ein nichtflüchtiges ben verwendete Interface verwen- Die einzelnen Zellen eines Flash-
Flash-Technologien – SLC Speichermedium. Ein Controller ist det: Der von der ATA-Schnittstelle Bausteins altern durch jeden Schreib-
oder MLC/TLC zusammen mit einem oder mehre- verwendete Adressraum reichte und Löschzugriff. Für eine lange
ren Speicherbausteinen in einem lange für die verfügbare Kapazität Lebensdauer müssen häufige
Nur von außen betrachtet speichert Gehäuse verbaut. Das Gerät sollte aus. Mit der Migration nach SATA Zugriffe auf dieselbe Zelle vermie-
eine Flash-Zelle eine digitale Infor- Interfaces (Protokoll und physisch) konnten die schneller gewordenen den werden. In der Praxis legt das
mation, die als „0“ oder „1“ ausgele- und Formfaktoren von Standard- Halbleiterspeicher zügig angespro- Betriebssystem in einem bestimmten
sen wird. Real wird eine bestimmte Harddisks verwenden.“ chen werden. Jedoch besonders Bereich des Speichers das Direc-
Zahl Ladungsträger isoliert. Beim beim Schreiben mussten noch tory ab, in dem über Dateien und
Auslesen entscheidet die Auswer- Formfaktoren Wartezyklen eingelegt werden. Die deren Position auf dem Datenträ-
tungsschaltung im Chip, ob die Zahl letzte Generation SSDs setzt auf ger Buch geführt wird. Bei jedem
der Ladungsträger höher oder nied- Für Solid State-Speicher haben PCI Express. Dazu wurde eigens schreibenden Dateizugriff muss
riger als ein Schwellwert ist und gibt sich folgende Formfaktoren etabliert: der NVMe-Standard definiert, der der Inhalt auf den neuesten Stand
ein entsprechendes Logiksignal 2,5“-Laufwerke können direkt durch
aus. Dies gilt für die SLC (Single die SSD-Äquivalente ersetzt werden.
Level Cell)-Zelle. Im MLC-Speicher Die Bauform MO-297 hat denselben
(Multi Level Cell) gibt es dem ent- elektrischen Anschluss, ist jedoch mit
sprechend mehrere Schwellen, die 39 x 54 mm kompakter aufgebaut.
gemeinsam als vier verschiedene Sie ist auch unter dem Begriff 1,8“
Zustände ausgewertet werden und Slim Line bekannt. Moderne Single
nach außen hin zwei Bits repräsen- Board Computer bieten einen Steck-
tieren. Je nach „Füllgrad“ der Zelle platz für kompakte SSD-Module im
sind die Bitwerte 00, 01, 10 und 11 mSATA (MO300) oder M.2-Format,
abgelegt. Die aktuellste Technolo- z. B. 22 x 42 mm. Während mSATA
gie verfeinert die Klassifizierung des sich den Steckplatz mit miniPCIex-
Ladezustands um eine weitere Stufe press teilt, liegt bei M.2 das Haupt-
und interpretiert ihn in acht Stufen als augenmerk auf Speicher. Bei M.2
drei Bits. Dies wird als „TLC“ – Triple ist die Breite der Karten genormt,
Level Cell – bezeichnet. Die Vorteile die Steckerbelegung jedoch hängt
dieser Technologie sind die höhere vom Interface SATA oder PCIe ab.
Speicherdichte pro Chip, die Spei- Die Länge variiert die mit der Kom-
chermedien höherer Kapazität set- plexität (Speicherkapazität) von 42
zen sie wegen des geringeren Bau- bis 110 mm. Darüber hinaus stehen
volumens und Preises ein. SSDs auch auf Chipebene zur Ver- Bild 2: Vergleich von MO297 (links) und M.2 (rechts)
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Bild 3: Fehlerkorrektur in jeder Stufe
gebracht werden. Andere Zellen, wie ein korrigierbarer Flash-Fehler fest-
Block bereitgestellt, ist diese aufge- homogen: Single Level Cells (SLC),
z. B. die am Ende des verfügbaren gestellt werden, können durch die
braucht, wird die verfügbare Kapa- Multi Level Cells (MLC) oder Triple
Speicherbereichs, werden hingegen in jeder Stufe stattfindende ECCzität der SSD reduziert. Level Cells (TLC) nach Abwägung
erst verwendet, wenn das Medium korrekte Daten an den Host aus- von Speicherdichte gegenüber
nahezu gefüllt ist. Die Aufgabe des Funktionelle Sicherheit
geliefert werden, und die nun kor- Zugriffslatenz, die jedem Zelltyp
Controllers ist es nun, die logischen rigierten Daten in einem neuen Die Aufgabe des Controllers ist, eigen ist. Die PCIe FerriSSDs bie-
Zugriffe auf den Speicher so in phy- Block gespeichert werden, siehe dem Host-Computer die maximale ten über die Funktion „Hybrid Zone“
sikalische umzusetzen, dass keine Performance zur Verfügung zu stel- eine freie Partitionierung eines ein-
dazu Bild 3. Dies geschieht völlig
Speicherzelle überlastet wird und transparent ohne Mitwirkung der len. Dies bedeutet Geschwindigkeit, zelnen NAND-Chip in separate
so vorzeitig altert. Host-CPU. aber auch Daten-Integrität. Neben SLC- und MLC- bzw. TLC-Zonen.
dem ECC-Mechanismus führt der Ohne auf die Vorteile der Speicher-
Cache Struktur, Redundanz Defekte Zellen und Bad Controller einen automatischen dichte von MLC/TLC verzichten zu
und End-to-End Block Management Refresh der Daten durch, indem müssen, können einzelne Bereiche
Datenschutz Der Controller überwacht die er Speicherblöcke ausliest und der SSDs schnell beschreibbaren
Der Schreibvorgang jedes Blocks Lebensdaten jeder einzelnen Spei- wieder zurückschreibt, wenn der (Pseudo-) SLC-Speicher bereithal-
benötigt eine gewisse Zeit, da cherzelle. Stellt sich heraus, dass Host gerade nicht auf den Spei- ten. Durch die höhere Transferge-
Ladungen in die Isolationsschicht eine Zelle die Ladung nicht hält, wird cher zugreift. schwindigkeit wird die Zugriffszeit
transportiert werden müssen. Für der zugehörige Block als defekt mar- kürzer, also auch die Zeit, die bei
die höchste Zugriffsgeschwindigkeit kiert und aus der Liste der verfüg- Hybrid-Zone Ausfall der Versorgung für eine ord-
hilft ein mehrstufiger Cache als Zwi- baren Blöcke gelöscht. Zunächst Konventionelle SSDs konfigurie- nungsgemäße Beendigung des lau-
schenspeicher. Sollte beim Lesen wird für ihn aus der Reserve ein ren den kompletten Flash-Bereich fenden Schreibvorgangs benötigt
wird. Die dafür erforderliche Puffe-
rung kann deutlich kompakter aus-
fallen. Die Partitionierung in SLC
einerseits und MLC/TLC anderer-
seits erlaubt eine Optimierung der
Kosten – schneller SLC-Speicher
für die Ausführung des Betriebs-
systems und MLC/TLC-Speicher
mit höherer Speicherdichte für die
Daten. Bild 4 zeigt, wie der partitio-
nierte Speicher physikalisch (oben)
und logisch (unten) an den Host
angebunden ist.
Überwachung während des
Betriebs
Mit steigendem Alter, d. h. Anzahl
der P/E-Zyklen, nimmt die Fähigkeit
der Flash-Zellen, Daten dauerhaft
zu speichern, ab. Ebenso bewirkt
eine erhöhte Umgebungstempera-
tur eine kürzere Datenhaltezeit. Um
potenziellen Datenverlust zu vermei-
den, scannt PCIe FerriSSD „Intel-
ligentScan“ proaktiv NAND-Bau-
steine, um Zellen, die demnächst
ihren Inhalt zu verlieren drohen,
Bild 4: Partitionierung der SSD als Hybrid-Zone aufzufrischen und die Lebensdauer
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der enthaltenen Daten effektiv zu gebracht, die zuverlässigen, lang-
verlängern. Der Algorithmus pro- lebigen und schnellen Speicher mit Glossar
tokolliert dazu Sperrschicht-Tem- hoher Kapazität von bis zu 256 GB
peraturmesswerte, die Anzahl der bieten. Mit der konfigurierbaren Par- P/E Zyklus
P/E-Zyklen, die Einschaltdauer der titionierung als SLC oder MLC/TLC Programming/Erase-Zyklus. Maß für die Lebenserwartung -> Data
SSDs und andere wichtige Refe- kann er auf die Anwendung optimal Retention eines Flash-Speichers. Dabei ist zu beachten, dass Flash-
renzpunkte. Er startet automatisch angepasst werden und bietet damit Speicher block- oder seitenweise beschrieben und gelöscht werden.
immer dann, wenn keine anderwei- die beste Mischung aus Dateninte-
tigen Aktivitäten der SSD (lesen, grität und Kosten-/Leistungsrelation Data Retention
schreiben) anliegen. für alle Embedded-Anwendungen. Zeit oder Zyklenzahl, über der ein Flash-Speicher die eingespei-
cherte Ladung behält, so dass sie eindeutig einem Bitwert zuge-
Fazit Referenzen ordnet werden kann.
Die neueste Generation von Em- • PCIe FerriSSD Whitepaper, Silicon
bedded-/Industrieanwendungen Motion Corp., March 2018 Firmware
verlangt schnellere Datenübertra- • JEDEC www.jedec.org Software des Flash-Controllers, die Funktionen wie Beschreiben,
gung und eine robuste, zuverläs- Löschen, Wear Levelling und Defect Management ausführt.
sige Datenspeicherung durch opti-
mal an das System angebundene Endurance
SSDs. Schnittstellen wie SATA III Maß für die Lebenserwartung eines Flash-Speichers, oft in TBW =
mit 6 Gbps können die Leistungs- Tera Bytes Written angegeben. Dabei ist zu beachten, dass die tat-
fähigkeit der schnellsten Speicher sächlich in den Flashbaustein geschriebene Datenmenge höher als
nicht mehr ausschöpfen. PCIe steht die über das Host-Interface geschriebene sein kann, weil der Flash-
in der dritten Generation bereit, um Controller nur blockweise schreiben kann und Funktionen wie Data-
die Transferleistung zu steigern. Refresh ausführt.
Eine leistungsfähige SSD braucht
einen Controller, der die aktuellen Block/Page
Flash-Speicher perfekt unterstützt. Die kleinste Einheit, die vom Flash-Controller angesprochen wer-
PCIe FerriSSD bringt alle Funkti- Autor: den kann. Relevant für → P/E-Zyklus
onen auf engstem Raum zusam- Rudolf Sosnowsky
men: außer dem Flash-Speicher ist Leiter Technik bei Jedec
ist im BGA-Gehäuse ein Control- HY-LINE Computer Components Joint Electron Device Engineering Council = Organisation zur Stan-
ler, mehrstufiger Cache und eine Vertriebs GmbH dardisierung von Halbleitern, www.jedec.org
leistungsfähige Firmware unter- www.hy-line.de
PC & Industrie 7/2018 5
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