SSDs für schwierige Einsatzgebiete

Schnell, sicher und als FerriSSD ideal für die Industrie

| Autor / Redakteur: Rudolf Sosnowsky * / Rainer Graefen

Flash: SSDs eignen sich bestens für den Industrieeinsatz
Flash: SSDs eignen sich bestens für den Industrieeinsatz (Bild: HY-LINE Computer Components)

Schnell, sicher, robust und kompakt muss Speicher für den Industrieeinsatz sein. Kein Wunder, dass Solid State Disks die Festplatten mit rotierenden Scheiben verdrängen. Dieser Beitrag informiert über die Details der SSD-Technik.

Die Verfügbarkeit von Speicherbausteinen mit ausreichend hoher Kapazität zu günstigen Preisen ermöglichte die Ablösung rotierender Speichermedien überall dort, wo diese mit ihren Eigenschaften nicht eingesetzt werden konnten oder sollten.

Beispiele dafür sind schnellere Zugriffszeiten – vor dem Zugriff müssen keine Magnetköpfe positioniert werden – die Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Schock, was sie für mobilen Betrieb auszeichnet, die im Vergleich zu gleich großen Magnetspeichern niedrigere Leistungsaufnahme und schnellerer Datentransfer, besonders beim Lesen von Daten.

Ein weiterer Vorteil der SSDs: Der Temperaturbereich von Halbleiterspeichern ist generell höher als der von magnetischen, daher auch die Eignung für industrielle Anwendungen. Dem gegenüber stehen die Nachteile der Abnutzung durch Alterung der Zellen und die kritische Phase des Verlusts der Versorgung während des Schreibvorgangs, was aber auf Magnetscheiben genauso zutrifft.

Was ist eigentlich Flash?

Flash bezeichnet eine Technologie, mit der es möglich wird, Daten nichtflüchtig elektrisch in einem Halbleiter zu speichern, zu modifizieren und wieder zu löschen. Der Vorgänger, EPROM, benötigte energiereiche UV-Strahlung für den Löschvorgang, EEPROMs können die Energie mit einer On-Chip-Ladungspumpe erzeugen. Der wesentliche Unterschied zwischen EEPROM und Flash ist, dass Flash-Speicher nur blockweise beschrieben und gelöscht werden können.

Der Zugriff auf eine einzelne Zelle ist nicht möglich; um ein Bit zu ändern, muss ein gesamter Block in einen Zwischenspeicher ausgelesen, das Bit manipuliert und der gesamte Block zurückgeschrieben werden. Flash speichert Daten nichtflüchtig, indem eine elektrische Ladung zwischen zwei Isolationsschichten eingeschlossen wird.

Beim Schreiben und Löschen wird eine dieser Schichten kurzzeitig leitfähig und lässt Ladungen zu- und abfließen. Der Lesevorgang ist nicht-destruktiv und kann beliebig oft erfolgen. Schreib- und Löschvorgänge lassen die Zelle altern. Dadurch verschlechtert sich der Isolationswiderstand, und die eingeschlossene Ladung kann im Laufe der Zeit abfließen.

Um die Speicherdichte weiter zu erhöhen, haben die Halbleiterhersteller weitere Strategien entwickelt: die ursprünglich planare Anlage der Speicherzellen wird in einen V-förmigen Graben verlegt (V-NAND), und es werden in einem Chip mehrere Dies übereinander gestapelt und elektrisch miteinander verbunden (3D NAND). So kann in einem sehr kompakten Gehäuse eine große Speicherkapazität realisiert werden.

Flash-Technologien: SLC oder MLC/TLC

Nur von außen betrachtet speichert eine Flash-Zelle eine digitale Information, die als „0“ oder „1“ ausgelesen wird. Real wird eine bestimmte Zahl Ladungsträger isoliert. Beim Auslesen entscheidet die Auswertungsschaltung im Chip, ob die Zahl der Ladungsträger höher oder niedriger als ein Schwellwert ist und gibt ein entsprechendes Logiksignal aus. Dies gilt für die SLC (Single Level Cell)-Zelle.

Im MLC-Speicher (Multi Level Cell) gibt es dementsprechend mehrere Schwellen, die gemeinsam als vier verschiedene Zustände ausgewertet werden und nach außen hin zwei Bits repräsentieren. Je nach „Füllgrad“ der Zelle sind die Bitwerte 00, 01, 10 und 11 abgelegt. Die aktuelle Technologie verfeinert die Klassifizierung des Ladezustands um eine weitere Stufe und interpretiert ihn in acht Stufen als drei Bits.

Dies wird als „TLC“ – Triple Level Cell – bezeichnet. Die Vorteile dieser Technologie sind die höhere Speicherdichte pro Chip, die Speichermedien höherer Kapazität setzen sie wegen des geringeren Bauvolumens und Preises ein.

Vorteile der FerriSSD für den Embedded-Einsatz

Jedec (Joint Electron Device Engineering Council), die Organisation zur Standardisierung von Halbleitern, definiert: „Ein Solid State Drive (SSD) ist ein nichtflüchtiges Speichermedium. Ein Controller ist zusammen mit einem oder mehreren Speicherbausteinen in einem Gehäuse verbaut. Das Gerät sollte Interfaces (Protokoll und physisch) und Formfaktoren von Standard-Harddisks verwenden.“ Details zum Aufbau einer SSD zeigt Bild 1 in der Bildergalerie.

Formfaktoren

Für Solid State-Speicher haben sich folgende Formfaktoren etabliert: 2,5-Zoll-HDD-Laufwerke können direkt durch die SSD-Äquivalente ersetzt werden. Die Bauform MO-297 hat denselben elektrischen Anschluss, ist jedoch mit 39 mm x 54mm kompakter aufgebaut. Sie ist auch unter dem Begriff 1,8“ Slim Line bekannt. Moderne Singleboard-Computer bieten einen Steckplatz für kompakte SSD-Module im mSATA (MO 300) oder M.2-Format, z.B. 22 mm x 42 mm (siehe Bild 2 der Bildergalerie).

Während mSATA sich den Steckplatz mit miniPCIexpress teilt, liegt bei M.2 das Hauptaugenmerk auf Speicher. Bei M.2 ist die Breite der Karten genormt, die Steckerbelegung jedoch hängt vom Interface SATA oder PCIe ab. Die Länge variiert mit der Komplexität (Speicherkapazität) von 42 mm bis 110 mm. Darüber hinaus stehen SSDs auch auf Chipebene zur Verfügung, wie die PCIe FerriSSD von Silicon Motion.

Host-Interface

Für die ersten Generationen von SSDs wurde das von Magnetscheiben verwendete Interface verwendet: Der von der ATA-Schnittstelle verwendete Adressraum reichte lange für die verfügbare Kapazität aus. Mit der Migration nach SATA konnten die schneller gewordenen Halbleiterspeicher zügig angesprochen werden. Jedoch besonders beim Schreiben mussten noch Wartezyklen eingelegt werden. Die letzte Generation SSDs setzt auf PCI Express. Dazu wurde eigens der NVMe-Standard definiert, der 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 unabdingbar. Er wandelt die Flash-Schnittstelle elektrisch und logisch in ein Format um, über das sie an einen Computer angeschlossen werden kann. Die Verwaltung der Flash-Bausteine und die Kommunikation übernimmt eine Firmware, die exakt auf die Hardware angepasst ist, um die maximale Leistung aus den Speichern herauszuholen und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Für die folgenden Betrachtungen soll die neue PCIe FerriSSD von Silicon Motion als Grundlage dienen. Sie vereint alle Funktionen auf nur einem einzigen Chip: Host-Controller, 3D NAND mit bis zu 256 GB mit einem mehrstufigen Cache und einer leistungsfähigen Firmware.

Wear Leveling für lange Lebensdauer

Die einzelnen Zellen eines Flash-Bausteins altern durch jeden Schreib- und Löschzugriff. Für eine lange Lebensdauer müssen häufige Zugriffe auf dieselbe Zelle vermieden werden. In der Praxis legt das Betriebssystem in einem bestimmten Bereich des Speichers das Directory ab, in dem über Dateien und deren Position auf dem Datenträger Buch geführt wird.

Bei jedem schreibenden Dateizugriff muss der Inhalt auf den neuesten Stand gebracht werden. Andere Zellen, z.B. die am Ende des verfügbaren Speicherbereichs, werden hingegen erst verwendet, wenn das Medium nahezu gefüllt ist. Die Aufgabe des Controllers ist es nun, die logischen Zugriffe auf den Speicher so in physikalische umzusetzen, dass keine Speicherzelle überlastet wird und vorzeitig altert.

Cache, Redundanz und End-to-End-Datenschutz

Der Schreibvorgang jedes Blocks benötigt eine gewisse Zeit, da Ladungen in die Isolationsschicht transportiert werden müssen. Für die höchste Zugriffsgeschwindigkeit hilft ein mehrstufiger Cache als Zwischenspeicher. Sollte beim Lesen ein korrigierbarer Flash-Fehler festgestellt werden, können durch die in jeder Stufe stattfindende ECC (Error-Correcting Code) korrekte Daten an den Host ausgeliefert werden, und die nun korrigierten Daten in einem neuen Block gespeichert werden, siehe dazu Bild 3. Dies geschieht völlig transparent ohne Mitwirkung der Host-CPU.

Defekte Zellen und Bad-Block-Management

Der Controller überwacht die Lebensdaten jeder einzelnen Speicherzelle. Stellt sich heraus, dass eine Zelle die Ladung nicht hält, wird der zugehörige Block als defekt markiert und aus der Liste der verfügbaren Blöcke gelöscht. Zunächst wird für ihn aus der Reserve ein Block bereitgestellt, ist diese aufgebraucht, wird die verfügbare Kapazität der SSD reduziert.

Funktionelle Sicherheit

Die Aufgabe des Controllers ist, dem Host-Computer die maximale Performance zur Verfügung zu stellen. Dies bedeutet Geschwindigkeit, aber auch Daten-Integrität. Neben dem ECC-Mechanismus führt der Controller einen automatischen Refresh der Daten durch, indem er Speicherblöcke ausliest und wieder zurückschreibt, wenn der Host gerade nicht auf den Speicher zugreift.

Hybrid-Zone für höheren Datentransfer

Konventionelle SSDs konfigurieren den kompletten Flash-Bereich homogen: Single Level Cells (SLC), Multi Level Cells (MLC) oder Triple Level Cells (TLC) nach Abwägung von Speicherdichte gegenüber Zugriffslatenz, die jedem Zelltyp eigen ist. Die PCIe FerriSSDs bieten über die Funktion ‘Hybrid Zone’ eine freie Partitionierung eines einzelnen NAND-Chips in separate SLC- und MLC- bzw. TLC-Zonen. Ohne auf die Vorteile der Speicherdichte von MLC/TLC verzichten zu müssen, können einzelne Bereiche der SSDs schnell beschreibbaren (Pseudo-) SLC-Speicher bereithalten.

Durch die höhere Transfergeschwindigkeit wird die Zugriffszeit kürzer, also auch die Zeit, die bei Ausfall der Versorgung für eine ordnungsgemäße Beendigung des laufenden Schreibvorgangs benötigt wird. Die dafür erforderliche Pufferung kann deutlich kompakter ausfallen. Die Partitionierung in SLC einerseits und MLC/TLC andererseits erlaubt eine Optimierung der Kosten – schneller SLC-Speicher für die Ausführung des Betriebssystems und MLC/TLC-Speicher mit höherer Speicherdichte für die Daten. Bild 4 in der Bildergalerie zeigt, wie der partitionierte 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 Umgebungstemperatur eine kürzere Datenhaltezeit. Um potenziellen Datenverlust zu vermeiden, scannt PCIe FerriSSD ‘IntelligentScan’ proaktiv NAND-Bausteine, um Zellen, die demnächst ihren Inhalt zu verlieren drohen, aufzufrischen und die Lebensdauer der enthaltenen Daten effektiv zu verlängern.

Der Algorithmus protokolliert dazu Sperrschicht-Temperaturmesswerte, die Anzahl der P/E-Zyklen, die Einschaltdauer der SSDs und andere wichtige Parameter. Er startet automatisch immer dann, wenn keine anderweitigen Aktivitäten der SSD (lesen, schreiben) anliegen.

Fazit: Die neueste Generation von Embedded-/Industrieanwendungen verlangt schnellere Datenübertragung und eine robuste, zuverlässige Datenspeicherung durch optimal an das System angebundene SSDs. Schnittstellen wie SATA III mit 6 Gbps können die Leistungsfähigkeit der schnellsten Speicher nicht mehr ausschöpfen. PCIe steht in der dritten Generation bereit, um die Transferleistung zu steigern. Eine leistungsfähige SSD braucht einen Controller, der die aktuellen Flash-Speicher perfekt unterstützt.

PCIe FerriSSD bringt alle Funktionen auf engstem Raum zusammen: außer dem Flash-Speicher ist im BGA-Gehäuse ein Controller, mehrstufiger Cache und eine leistungsfähige Firmware untergebracht, die zuverlässigen, langlebigen und schnellen Speicher mit hoher Kapazität von bis zu 256 GByte bieten.

Mit der konfigurierbaren Partitionierung als SLC oder MLC/TLC kann er auf die Anwendung optimal angepasst werden und bietet damit die beste Mischung aus Datenintegrität und Kosten-/Leistungsrelation für alle Embedded-Anwendungen.

* Rudolf Sosnowsky ist Leiter Technik bei HY-LINE Computer Components. Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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