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Vier Bit pro Speicherzelle Was ist QLC-Flash (Quadruple-Level-Cell)?

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Dr. Jürgen Ehneß

QLC-Flash ist ein halbleiterbasierter Speicher, der im Gegensatz zu einem Single-Level-Cell-Flash (SLC-Flash) nicht nur ein Bit Informationsgehalt pro Speicherzelle, sondern vier Bit Informationsgehalt besitzt. QLC-NAND-Speicher ist in der Lage, pro Speicherzelle 16 verschiedene Zustände zu speichern. QLC-Flash bietet eine höhere Speicherdichte, ist aber aufwendiger zu beschreiben und zu lesen und unterstützt weniger Schreibzyklen.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - Fotolia)

Die Abkürzung QLC steht für „Quadruple-Level-Cell“. Bei QLC-Flash handelt es sich um einen nichtflüchtigen, halbleiterbasierten Speicher, der im Vergleich zu einem Single-Level-Cell-Flash (SLC-Flash) pro Speicherzelle nicht nur ein Bit an Informationsgehalt, sondern vier Bit speichert. Er gehört zur Klasse der Multi-Level-Cell-Flash-Speicher (MLC-Flash-Speicher), die mehrere Bits Speicherkapazität je Speicherzelle besitzen.

Einige verwenden den Begriff MLC-Flash als Synonym für Speicherzellen mit zwei Bit Speicherkapazität je Speicherzelle. Das ist streng genommen nicht korrekt, da Multi-Level-Cell als Oberbegriff für alle Speicherzellen mit mehr als einem Bit Speicherkapazität zu sehen ist. Flash-Speicher mit drei Bits pro Speicherzelle wird als „Triple-Level-Cell-Flash“ (TLC-Flash) bezeichnet. QLC-Flash ist mit seinen vier Bit in der Lage, 16 verschiedene Zustände je Speicherzelle zu speichern.

Einsatzbereiche der QLC-NAND-Speicher sind beispielsweise USB-Sticks oder SSD-Laufwerke für den Massenmarkt. Vorteil des QLC-Flash-Speichers ist die höhere Speicherdichte. Allerdings ist die Ladungsmenge einer Zelle beim Speichern feiner zu dosieren und beim Lesen genauer auszuwerten. QLC-Flash hat niedrigere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten als SLC-Flash. Die Anzahl maximal möglicher Schreibzyklen ist geringer, und der Speicher ist gegenüber Ladungsverlusten empfindlicher.

Funktionsweise des QLC-NAND-Speichers

Der Informationsgehalt einer Flash-Speicherzelle ist über das Ladungsniveau definiert. Eine SLC-Speicherzelle kennt die logischen Zustände 0 und 1 eines Bits. Das obere Ladungsniveau entspricht dem logischen Zustand 1, das untere Ladungsniveau dem logischen Zustand 0. Die Ladungsniveaus zwischen dem minimalen und dem maximalen Niveau werden bei einer Single-Level-Cell entweder 0 oder 1 zugeordnet. Es existieren nur diese beiden logischen Zustände.

Eine Quadruple-Level-Cell hingegen kennt mehr als zwei Ladungszustände und ordnet diese mehr als nur einem Bit zu. Die Quadruple-Level-Cell mit vier Bit Informationsgehalt unterscheidet 16 verschiedene Ladungszustände. Sie werden durch die Bitzustände 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110 und 1111 repräsentiert. Die in den Speicherchips enthaltenen Floating-Gate-Transistoren müssen diese 16 Ladungsniveaus beim Lesen und Schreiben der Informationen unterstützen. Der Aufwand zum Erzeugen und zum Auswerten der Ladungszustände ist im Vergleich zu einer SLC-Speicherzelle aufwendiger. Zudem steigt die Wahrscheinlichkeit für Bitfehler, was komplexere Verfahren zur Fehlerkorrektur erfordert.

Vor- und Nachteile des QLC-Flash-Speichers

QLC-Flash bietet diese Vorteile:

  • höhere Speicherdichte – größerer Informationsgehalt je Chipfläche,
  • höhere Speicherkapazität bei gleichen Siliziumkosten – günstigere Speicherchips realisierbar.

Als Nachteile der QLC-NAND-Speichertechnologie lassen sich aufführen:

  • niedrigere Schreib- und Lesegeschwindigkeiten,
  • höhere Wahrscheinlichkeit für Bitfehler,
  • empfindlicher gegenüber Ladungsverlusten,
  • aufwendigere Fehlerkorrekturmechanismen,
  • weniger maximal mögliche Schreibzyklen.

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