NAND-Flash-Speichersysteme Flash: Der Speichercontroller ist entscheidend

NAND-Flash ist heute die am weitesten verbreitete nichtflüchtige Speichertechnik – auch im industriellen Bereich. Mit jeder neuen Generation steigen auch die Anforderungen an den Speichercontroller. Der ist eine oft übersehene, aber entscheidende Komponente.

Seit seinem Markteintritt in den 1980er-Jahren hat sich NAND-Flash zur bestimmenden Speichertechnologie entwickelt. Sie steckt in Speicherkarten, USB-Flash-Laufwerken und Solid-State-Laufwerken und treibt eine breite Palette von Verbraucher- und Industriegeräten an. Der weltweite Datenhunger und die immer stärker vernetzte Welt, in der wir leben, haben zu einer unaufhaltsamen Nachfrage nach Speicherplatz geführt, und im Einklang mit der zunehmenden Leistung und den schrumpfenden Formfaktoren moderner Geräte ist auch der Druck auf Kosten, Speicherkapazität und Leistung von NAND-Flash-Speichersystemen gewachsen.

Dieser Druck hat dazu geführt, dass die Komplexität von NAND-Flash-Systemen zugenommen hat, was mit verschiedenen Herausforderungen verbunden ist. Die Halbleitertechnologie, auf denen NAND-Flash basiert, unterliegt einer unvermeidbaren Abnutzung und verschleißt mit der Zeit. Das macht eine sorgfältige Verwaltung erforderlich. Der Speichercontroller ist eine oft übersehene, aber entscheidende Komponente fast aller NAND-Flash-Systeme, die für Funktionen wie Fehlerkorrektur, Mapping, Garbage Collection und zunehmend auch für die Datensicherheit verantwortlich ist. In diesem Artikel wird untersucht, wie sich sowohl die NAND-Flash- als auch die Controller-Technologie als Reaktion auf die Herausforderungen entwickelt haben, denen sich diese Technologien aufgrund der Marktnachfrage nach höheren Kapazitäten, größerer Sicherheit und niedrigeren Kosten stellen müssen.

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Kurzer Überblick über die NAND-Flash-Technologie

NAND-Flash ist eine nichtflüchtige Speichertechnologie, die keinen Strom benötigt, um Daten zu speichern – obwohl sie zum Programmieren, Löschen und Lesen von Daten Strom benötigt. Die Zellen eines NAND-Flash-Speichers basieren auf dem Floating-Gate-MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), siehe Bild 1, einer Art elektrischem Schalter, bei dem der Stromfluss zwischen zwei Anschlüssen, Source und Drain, durch einen dritten Anschluss – das Control Gate – gesteuert wird.

Eine NAND-Speicherzelle wird programmiert, indem eine hohe Spannung an das Steuer-Gate des MOSFETs angelegt wird. Wenn diese Spannung hoch genug ist und sowohl Source als auch Drain geerdet sind, gewinnen die Elektronen im Kanal genügend Energie, um die Oxidbarriere zu überwinden und aus dem Kanal in das Floating Gate (FG) zu wandern. Da das FG elektrisch isoliert ist, wird diese elektrische Ladung dauerhaft gespeichert, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Zum Löschen der Zelle wird eine Hochspannung an das Substrat des MOSFET angelegt, während das Steuer-Gate geerdet ist, wodurch die im FG eingeschlossenen Elektronen herausgezogen werden und die Schwellenspannung der programmierten Zelle wieder unter null sinkt. NAND-Speicherzellen werden durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Steuer-Gate und der Source ausgelesen.

Eine NAND-Flash-Zelle muss gelöscht werden, bevor sie beschrieben werden kann. Doch jeder Löschvorgang führt zu einer minimalen Beschädigung der Zelle. Je mehr Löschvorgänge vorgenommen werden, desto größer wird die Abnutzung. Jede Zelle hat daher eine endliche Lebensdauer, den so genannten P/E-Zyklus (von Program/Erase), und ist von Natur aus unzuverlässig. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass keine einzelne Zelle, sondern nur ganze Blöcke gelöscht werden können. Diese Blöcke bestehen aus mehreren Pages, die die Zellen enthalten, und der Schreibvorgang findet auf diesen Pages statt. Wenn sich die Informationen einer Zelle ändern, werden die neuen Informationen in eine andere Zelle geschrieben, wobei die Zelle mit den alten Daten als „zum Löschen bereit“ markiert wird. Wenn ein ganzer Block gelöscht werden soll, werden die noch „guten“ Daten in diesem Block an eine andere Stelle verschoben, und der gesamte Block wird gelöscht. Die während des NAND-Betriebs erzeugte Wärme beschleunigt diese Verschlechterung.

3D-NAND: Charge-Trap- löst Floating-Gate-Architektur ab

Da die Kosten pro Byte des NAND-Flash-Speichers durch die Anzahl der auf einer bestimmten Chipgröße gespeicherten Bits bestimmt werden, sind verschiedene Techniken zum Erhöhen der Speicherdichte von NAND-Flash entwickelt worden. Anfängliche Versuche, die Kapazität durch eine Verkleinerung der einzelnen Zellen zu erhöhen, sind an unerwünschten Nebeneffekten, darunter größeren Leckströmen und höheren Fehlerraten, gescheitert. Spätere Initiativen konzentrierten sich auf die Erhöhung der Anzahl der Bits, die in jeder Zelle gespeichert werden können, obwohl auch diese Technologie mit Kompromissen wie einer kürzeren Lebensdauer und höheren Fehlerraten zu kämpfen hat. Bei modernen Flash-Speichern werden die Kosten pro Byte durch den Einsatz von 3D-NAND-Architekturen gesenkt, bei denen mehrere Schichten von Speicherzellen eine dreidimensionale Struktur innerhalb des Siliziums bilden. 3D-NAND-Speicher bieten eine erheblich größere Speicherkapazität, und die kürzeren Verbindungen, die durch die Schichtstruktur ermöglicht werden, unterstützen schnellere Datenübertragungen, eine höhere Lebensdauer und einen geringeren Stromverbrauch. Die meisten neueren 3D-Flash-Speicher verwenden Charge-Trap-(CT-)Zellenarchitekturen, die im Vergleich zu FG-Zellen mehrere Vorteile bieten, darunter eine höhere Anzahl an P/E-Zyklen, einen geringeren Stromverbrauch sowie schnelleres Programmieren und Lesen. CT-Speicher ermöglichen auch eine höhere Skalierung bei der Herstellung, obwohl diese Vorteile durch eine geringere Datenerhaltung, insbesondere bei höheren Temperaturen, in Relation gesetzt werden.

Die Leistungsfähigkeit eines 3D-NAND-Flash-Speichers hängt in hohem Maße von seinem Speicher-Controller ab (Bild 2) – einer Schlüsselkomponente, die nicht nur seine Lebensdauer maßgeblich bestimmt, sondern auch seine Zuverlässigkeit, Datenintegrität und Leistung beeinflusst. Der Controller sorgt dafür, dass die vom Host an den NAND-Flash gesendeten Daten später zuverlässig und effizient abgerufen werden können, indem er die oben genannten inhärenten Flash-Mängel kompensiert. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:

• Übersetzung der vom Host erteilten Lese-/Schreib-/Statusbefehle in ein Format, das vom NAND-Flash verstanden werden kann, einschließlich der Übersetzung zwischen verschiedenen Schnittstellen (z. B. SD, eMMC oder SATA) und NAND-Flashs von verschiedenen Herstellern (z. B. KIOXIA, Micron, Samsung),

• Abbildung der logischen Blockadressen (LBAs) auf Adressen im Flash-Speicher,

• Erkennung und Korrektur von Fehlern innerhalb des NAND-Flash-Speichers

• Implementierung geeigneter digitaler Sicherheitsmaßnahmen,

• Flash-Kalibrierung.

Wachsende Anforderungen an NAND-Flash-Speicher

Mit jeder neuen Generation von Flash-Speicherchips steigen die Anforderungen an den Controller, und es sind anspruchsvollere und leistungsfähigere Hardware- und Software-Architekturen notwendig. Der Controller implementiert eine Reihe von Funktionen, um die zuverlässige Leistung des NAND-Flash-Speichers zu gewährleisten, und jede dieser Kernfunktionen muss sich an die neuen Herausforderungen anpassen.

Fehlerkorrektur: Da die NAND-Flash-Prozessgrößen schrumpfen und neue Technologien wie 3D-NAND auf den Markt kommen, steigen die Flash-Fehlerraten weiter, und die Anforderungen an die Fehlerkorrektur von Flash-Speicher-Controllern nehmen zu. Drei unabhängige Faktoren sind für diesen Anstieg der Bitfehlerzahlen verantwortlich. Da die Zellen von Generation zu Generation immer kleiner werden, speichern sie weniger Elektronen, was es schwieriger macht, ihren Wert zu bestimmen. Die Herausforderung wird mit jeder Flash-Generation größer, da mehr Bits in eine Zelle gespeichert werden, was zu einer Verringerung der Spannungsunterschiede führt, die den Zustand der Zelle anzeigen. Und schließlich haben Lese- und Schreibvorgänge auf einer einzelnen Zelle bei höherer Zelldichte eine zunehmende Tendenz, den Inhalt ihrer Nachbarzellen zu stören. Dieser kontinuierliche Anstieg der Fehlerraten erfordert eine entsprechende Steigerung der Fehlerkorrekturfähigkeiten des Speicher-Controllers, und die Fehlerkorrektur ist heute eine seiner wichtigsten Aufgaben. Die Controller müssen anspruchsvollere Fehlerkorrekturalgorithmen enthalten, was eine Herausforderung darstellt, wenn man Kosten, Formfaktor und Stromverbrauch berücksichtigt.

Integrierte Sicherheitsfunktionen werden immer wichtiger

Sicherheit: NAND-Flash-Speicher werden in einer Vielzahl von Verbraucher- und Industrieprodukten verwendet, darunter auch in eingebetteten IoT-Geräten, und in unserer zunehmend vernetzten Welt sind auch im Datenspeichersystem robuste Sicherheitsmaßnahmen an allen anfälligen Stellen dieser Anwendungen erforderlich. Die Sicherheitsmaßnahmen sind zunehmend umfassender geworden und erfordern spezifische Funktionen in der Firmware und Hardware des Speicher-Controllers, die zusätzliche Anforderungen an die Verarbeitungsressourcen stellen – mit einem daraus resultierenden Kompromiss zwischen Platzbedarf, Stromverbrauch und Leistung.

Flash-Kalibrierung: Die Flash-Kalibrierung ändert die Referenzspannung einer Zelle, um Bitfehler zu beseitigen oder zu reduzieren. Die Schwellenspannung einer Zelle kann sich im Laufe der Zeit wegen Faktoren wie Programmier- und Löschzyklen, Lesestörungen, Datenerhaltung und Temperaturschwankungen verändern. Die Kalibrierung ist ein zeitaufwändiger Vorgang, der die Leseleistung einschränken kann, wenn er zu oft ausgeführt wird. Es obliegt dem Controller, auf der Grundlage der Fehlerrate eines bestimmten Blocks oder einer bestimmten Seite zu entscheiden, wann er die Kalibrierung durchführt.

Der weltweite Bedarf an preiswerter Datenspeicherung mit hoher Kapazität hat in den letzten zehn Jahren zu erheblichen Innovationen in der NAND-Flash-Technologie geführt. Da NAND-Flash immer höhere Kapazitäten aufweist und ausgereifter wird, steigen die Anforderungen an den Flash-Speicher-Controller. Jeder Controllertyp reagiert anders auf diese Anforderungen, und da es eine Vielzahl von Flash-Speicher-Controllern auf dem Markt gibt, ist es wichtig zu verstehen, wie jeder einzelne die inhärente Unzuverlässigkeit von NAND-Flash kompensiert. (me)

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal ELEKTRONIKPRAXIS erschienen.

* Lena Harman Marketing and Communications Manager bei Hyperstone in Konstanz

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