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Definition Was ist TLC-Flash?

TLC-Flash ist eine besondere Form des NAND-Flash-Speichers. Bei diesem Speicher lassen sich acht verschiedene Ladungsniveaus unterscheiden. Dadurch können drei Bit an Daten pro Zelle gespeichert werden. Der Speichertyp bietet eine hohe Speicherdichte und kommt unter anderem bei SSD-Laufwerken zum Einsatz.

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

Die Abkürzung TLC-Flash steht für „Triple Level Cell Flash“. Es handelt sich um einen besonderen NAND-Flash-Speicher, der acht verschiedene Zustände pro Speicherzelle abbilden kann. Insgesamt lassen sich damit drei Bit pro Zelle speichern.

Er ist eine Alternative zum Single-Level-Cell-Flash (SLC-Flash) mit einem Bit Speicherkapazität und zum Multi-Level-Cell-Flash (MLC) mit zwei Bit Speicherkapazität. Die Technik der Herstellung und der Betrieb eines TLC-Flash-Speichers ist im Vergleich zur SLC- und MLC-Technik aufwändiger und teurer. Um die acht verschiedenen Ladungszustände stabil zu halten, müssen die Speicherzellen eine hohe Qualität besitzen.

In einigen Publikationen zählt TLC-Flash zur Kategorie der MLC-Speicherzellen. Dies ist streng genommen korrekt, da MLC für „Multi-Level-Cell“ steht und das Wort „Multi“ alle Zahlen größer eins repräsentiert. In der Speicherbranche hat sich die Bezeichnung MLC-Flash jedoch für Speicherzellen mit genau zwei Bit Informationsgehalt durchgesetzt, weshalb ein TLC-Flash nicht in die Kategorie Multi-Level-Cell-Flash eingeordnet werden sollte.

TLC-Flash unterstützt nur eine begrenzte Zahl von Schreibzyklen. Typische Einsatzgebiete sind Speicherkarten, USB-Sticks und SSD-Laufwerke für den Consumer-Bereich. Eine noch höhere Speicherdichte stellt die so genannte Quadruple- Level-Cell (QLC) bereit. Sie kann bis zu 16 verschiedene Ladungspegel abbilden und hat eine Speichertiefe von vier Bit.

Funktionsprinzip von Triple-Level-Cell-Flash

Um acht unterschiedliche Zustände in einer Zelle zu speichern, muss ein so genannter Floating-Gate-Transistor acht verschiedene Ladungsniveaus unterstützen. Dies gilt sowohl für das Lesen als auch für das Schreiben der Informationen. Die analogen Ladungszustände sind aufwendiger zu erzeugen und auszulesen, da die Unterschiede zwischen den Ladungsniveaus wesentlich geringer ausfallen als in einem SLC-Flash. Darüber hinaus steigt die Bit-Fehlerrate. Fehlerkorrekturen erfordern komplexere Verfahren. Die Lebensdauer einer TLC-Flash-Speicherzelle ist kürzer als die einer SLC- oder MLC-Speicherzelle. Die acht verschiedenen Ladungszustände des Floating-Gate-Transistors lassen sich binär mit den Bit-Kombinationen 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111 darstellen.

TLC-Flash und 3D-NAND-Speicher

Im so genannten 3D-NAND-Speicher sind Speicherzellen nicht nur nebeneinander, sondern auch in der dritten Dimension übereinander angeordnet. Mit dieser Technik lassen sich noch größere Speicherdichten erzielen. Für die übereinanderliegenden Schichten können MLC-Flash- oder TLC-Flash-Architekturen zum Einsatz kommen. Die Schichtenarchitektur der 3D-NAND-Technik verbessert die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Speichers. Allerdings ist die Herstellung aufwändig und erfordert ein hohes Maß an Präzision.

Vor- und Nachteile des Triple-Level-Cell-Flash

Triple-Level-Cell-Flash hat im Vergleich zum SLC-Flash oder MLC-Flash einige Nachteile. Die Herstellung und der Betrieb sind aufwendiger, der Speicher ist fehleranfälliger, die Lebensdauer kürzer und die Anzahl der Schreib-Lösch-Zyklen kleiner. Die typische Lebensdauer der TLC-Speicherzelle beträgt etwa 500 bis 1.000 Schreib-Lösch-Zyklen. Im Vergleich hierzu bieten SLC-Speicherzellen circa 100.000 Zyklen und MLC-Speicherzellen circa 3.000 bis 10.000 Zyklen.

Ein wichtiger Vorteil von TLC-Flash ist die hohe Speicherdichte. Grundsätzlich bleiben in einem TLC-Flash wie bei jedem NAND-Flash die gespeicherten Informationen ohne Versorgungsspannung erhalten. Im Vergleich zu mechanischen Laufwerken arbeiten TLC-basierte Speicher geräuschlos, sind unempfindlich gegen Erschütterungen und haben sehr kurze Zugriffszeiten.

Verwendung von TLC-, MLC- und SLC-Flash in SSD-Speichern

SSD-Speicher sind mit verschiedenen Flash-Technologien erhältlich. Die verwendeten NAND-Flash-Techniken wie SLC, MLC, TLC oder 3D-NAND bestimmen die Speicherdichte, die Lebensdauer, die Zuverlässigkeit, die Schreib- und Lesegeschwindigkeit und den Preis.

SLC-Speicher lassen sich circa dreimal schneller beschreiben und sind zehnfach haltbarer als MLC-Speicher. Allerdings sind sie aufgrund der geringeren Speicherdichte wesentlich größer. Bei Verwendung von TLC-Technik vergrößert sich zwar die Speicherdichte, doch sinken Lebensdauer, Performance und Zuverlässigkeit im Vergleich zur MLC- und SLC-Technik. Einige Hersteller bieten SSDs an, in denen kombinierte SLC- und TLC-Technik zum Einsatz kommt. Beispielsweise werden Teilbereiche des TLC-Speichers im SLC-Modus angesprochen.

Der SLC-Modus nutzt nur ein Bit pro Zelle und wird als Puffer genutzt. Der Pseudo-SLC-Puffer nimmt Schreibzugriffe schnell entgegen. Anschließend erfolgt das normale Schreiben in den TLC-Flash-Speicher. Aufgrund der begrenzten Schreib-Lese-Zyklen und der verminderten Zuverlässigkeit kommen TLC-SSDs überwiegend für den Consumer-Bereich zum Einsatz. Professionelle Anwendungen nutzen oft SSDs mit MLC- oder SLC-Technik.

Grundsätzlich sind auch SSDs, egal ob mit SLC-, MLC- oder TLC-Technik, nicht verschleißfrei. SSDs erleiden zwar keine mechanischen Defekte, doch sind sie nach einer gewissen Anzahl an Schreib-Lese-Zyklen zu ersetzen. Die kürzeste Lebensdauer und höchste Bit-Fehlerrate haben SSDs mit TLC-Flash-Speicher.

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