In diesem Artikel werfen wir einen schnellen Blick auf die Architektur und Struktur von Flash-Speicher sowie den Prozess der Auswahl einer industriellen SSD.
Eine SSD (Solid State Drive) ist ein nicht-mechanisches Speichergerät, das aus Flash-Speicherchips und einem Mikrocontroller besteht.
Flash-Speicher ist eine Art von Halbleitertechnologie, die als EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) bezeichnet wird.
Inhalt:
NOR- und NAND-Architekturen
Es gibt zwei Flash-Speicherarchitekturen - NOR und NAND, die sich hauptsächlich in der Methode der Verbindung von Speicherzellen unterscheiden. Jede von ihnen hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, die den Anwendungsbereich jeder Technologie bestimmen.
NOR Speicher wurde nach der speziellen Datenmarkierung (logisches NOT OR) benannt. Das NOR-Design verwendet eine klassische zweidimensionale Leitermatrix mit einer Zelle an der Kreuzung von Reihen und Spalten.
Durch diese Anordnung bietet NOR einen schnellen, zufälligen Zugriff auf Informationen und kann Daten an einer bestimmten Stelle schreiben und lesen, ohne den Speicher sequentiell durchsuchen zu müssen. Im Gegensatz zu NAND-Speicher kann NOR-Speicher Daten bis zu einem Byte zugreifen.
NOR-Technologie hat den Vorteil in Situationen, in denen Daten zufällig geschrieben oder gelesen werden. Daher wird NOR häufiger als Programmspeicher für Mikroprozessoren verwendet, zum Beispiel BIOS-Speicher eines Personal Computers, Speicher zur Speicherung kleiner Hilfsdaten oder zur Speicherung eines Betriebssystems in Mobiltelefonen und Tablets.
NAND Speicher ist nach einer anderen speziellen Datenmarkierung (logisches NOT AND) benannt. Grundsätzlich ist die Matrix dieselbe wie bei NOR, aber anstelle einer Zelle (Transistor) befindet sich an jeder Kreuzung eine Spalte von Zellen in Serie.
NAND-Speicher schreibt und liest Daten mit hoher Geschwindigkeit im sequentiellen Lesemodus, indem Daten in kleine Seitenblöcke angeordnet werden. NAND-Speicher kann Informationen seitenweise lesen und schreiben, kann jedoch im Gegensatz zu NOR keinen bestimmten Byte zugreifen.
Der Preis einer SSD, die die NAND-Architektur verwendet, ist niedriger als bei NOR; außerdem haben NAND-Chips eine höhere Datendichte. Die NAND-Architektur wird häufig in SSDs, USB-Laufwerken, Speicherkarten, Mobiltelefonen zur Speicherung von Benutzerdaten und anderen Geräten verwendet, bei denen Daten sequentiell geschrieben werden.
In diesem Artikel konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die NAND-Architektur, da sie in den meisten modernen Solid-State-Drives verwendet wird.
3D NAND, die zweite Generation von NAND-Flash
Der Hauptgrund für die Entwicklung einer zweiten Generation von NAND-Flash war der Wunsch der Hersteller, die Kosten für Flash-Speicher zu senken, da der technische Prozess bereits die 10-Nanometer-Marke erreicht hatte und eine weitere Verkleinerung der Kristallgröße entlang der X- und Y-Achsen unmöglich geworden war.
Ein wichtiges Merkmal der neuen 3D-NAND-Architektur ist die vertikale Anordnung der Zellblöcke auf dem Chip, bei der eine weitere Achse hinzugefügt wurde - die vertikale Z-Achse. Die Zellen sind in Schichten übereinandergelegt, sodass jeder Kristall eine mehrschichtige 3D-Struktur aufweist.
Diese vertikale Struktur ermöglichte einen Durchbruch in der Flash-Speicher-Dichte. Die Einführung der vertikalen Achse beseitigte die Abhängigkeit von anderen Achsen, wodurch die Notwendigkeit zur Verkleinerung des Kristalls verschwand, und viele Hersteller kehrten zur 30-Nanometer-Prozesstechnologie zurück, was letztendlich zu einer Senkung der Herstellungskosten führte.
Speicherzellen
Eine Speicherzelle kann 1, 2, 3 oder 4 Bits an Informationen speichern. Physisch bestehen alle 4 Typen von NAND-Speicherzellen aus denselben Transistoren, nur die Menge der von der Zelle gespeicherten Ladung unterscheidet sich.
In Ein-Bit-Zellen gibt es nur zwei Ladungsniveaus auf dem Floating Gate. Solche Zellen werden als Single-Level Cells (SLC) bezeichnet. SLC-Speicher haben den höchsten Preis, die höchste Leistung, den niedrigsten Stromverbrauch, die höchste Schreibgeschwindigkeit und die meisten Programm-/Löschzyklen.
Mehr Ladungsniveaus finden sich in Multi-Bit-Zellen; daher werden sie als Multi-Level Cells (MLC) bezeichnet. MLC-Geräte sind günstiger und haben eine höhere Kapazität als SLC-Geräte, aber sie haben auch eine höhere Zugriffszeit und ihre maximale Anzahl an Umschreibungen ist viel niedriger. In der Regel bedeutet MLC Speicher mit 4 Ladungsniveaus (2 Bits) pro Zelle.
Günstigerer (in Bezug auf die Kapazität) Speicher mit 8 Niveaus (3 Bits) wird als TLC (Triple Level Cell) bezeichnet. TLC liegt ebenfalls hinter SLC und MLC in der Lese-/Schreibgeschwindigkeit und der Anzahl der Programm-/Löschzyklen zurück.
Es gibt auch Geräte mit 16 Niveaus pro Zelle (4 Bits), QLC (Quad-Level Cell). QLC-Technologie ist am erschwinglichsten in Bezug auf die Kosten der Speicherung von 1 GB Daten und nähert sich nahezu den Kosten traditioneller Festplatten.
Tiered Memory dominiert heute den Markt. Dennoch werden SLC-Produkte trotz der vielfach geringeren Kapazität und hohen Kosten weiterhin für kritische Anwendungen entwickelt und hergestellt.
Auswahl eines Flash-Laufwerks anhand von Innodisk-Lösungen als Beispiel
Die Wahl einer Solid-State-Drive für Ihren Computer hängt von mehreren Faktoren ab, von denen die wichtigsten sind: Formfaktor, Anwendungsbereich, Betriebsbedingungen, Geschwindigkeit und Ressourcen.
Formfaktoren
Der Auswahlprozess für jedes Speichergerät beginnt mit dem Slot und dem Anschluss zur Installation. Es gibt heute viele Formfaktoren und Schnittstellen auf dem Markt zur Verbindung von Flash-Laufwerken. Man kann mit Sicherheit sagen, dass der am häufigsten verwendete der 2,5-Zoll-Formfaktor mit einer dritten SATA-Anschlussoberfläche ist. Ein 2,5-Zoll-SATA-Anschluss findet man in fast jedem modernen Personal Computer oder Laptop und ist universell für die Installation einer klassischen Festplatte sowie einer Solid-State-Drive auf Basis von Flash-Speicher geeignet.
Verfügbare Formfaktoren:
RISC-Architektur: Was ist das und wie ist sie entstanden
"RISC" ist eine Abkürzung für "Reduced Instruction Set Computer", was eine Computerarchitektur mit einem begrenzten Satz von einfachen und schnellen Anweisungen für den Prozessor bezeichnet.
Sehr oft findet man in Produktkatalogen verschiedener Hersteller einen Abschnittsnamen oder eine Produktbeschreibung mit dem Hinweis "RISC-basiert". Diese Angabe bezieht sich nicht auf spezielle Funktionen oder Eigenschaften der Ausrüstung; sie verweist lediglich auf eines der wichtigsten Elemente jedes Computers, sein "rechnerisches Herz", ohne das kein Computer der Welt funktionieren kann. Durch die Angabe von "RISC" in der Beschreibung meint jeder Hersteller dasselbe – die CPU oder zentrale Verarbeitungseinheit.
Eine Abteilung von DMP, die Firma iCOP, entwickelt und produziert Industrieausrüstung verschiedener Formfaktoren auf Basis dieser Prozessorfamilie. Das Unternehmen bietet verschiedene Produktlinien an, von denen jede verschiedene Optionen für Konfiguration und Funktionalität für Aufgaben jeder Komplexität umfasst.
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Eingebettete CPU-Boards und Module
Eingebettete Boards – das Hauptelement jedes Embedded-Systems. Sie finden alle notwendigen Formfaktoren: PICO-ITX, Nano-ITX, 2,5", 3,5", 5,25", EPIC, PC/104 und viele andere.
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Industrielle Panel-PCs
Leistungsstarke Computing-Lösungen für die Industrie mit robustem Design gemäß IP65 und IP66 sowie strapazierfähigen Frontplatten aus Aluminium oder Edelstahl.
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Industrielle CompactFlash-Karten
CompactFlash-Speicherkarten mit hoher Lese-/Schreibgeschwindigkeit und Kapazitäten von 265 MB bis 64 GB. Einer der ältesten Typen von Flash-Speicher.
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Industrielle CFast-Karten
Industrielle CFast-Speicherkarten mit standardmäßigen 7-Pin-SATA-Schnittstellen und einem 17-Pin-Stromanschluss (anders als die SATA-Einspeisung).
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Industrielle SD-Karten
Secure Digital-Speicherkarten, hauptsächlich für den Einsatz in tragbaren Geräten, Mini-PCs und an DIN-Schienen montierten Computern konzipiert. Ausgestattet mit einem mechanischen Schreibschutzschalter.
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mSATA SSD
Modulare Laufwerke, die für die Installation in Mini-PCIe-Erweiterungssteckplätzen konzipiert sind: vollgroße mSATA-Module und halbgroße Module.
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SLIM SATA SSD
Kompakte elektronische Laufwerke mit standardmäßiger SATA-Schnittstelle (7 + 15 Pin). Aufgrund ihrer kleineren Größe ist die SLIM SATA SSD eine ausgezeichnete Alternative zu 2,5-Zoll-Laufwerken, wenn der Einbauraum begrenzt ist.
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1,8" SATA SSD
Solid-State-Laufwerke, die die Micro SATA (uSATA)-Schnittstelle unterstützen. Der Micro SATA-Anschluss besteht aus zwei unabhängigen Kontaktgruppen: 7-Pin für die Datenbusverbindung und 9-Pin für die Stromversorgung.
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2,5" IDE SSD
Verfügbar mit verschiedenen Schnittstellen: PATA und IDE. Wenn Sie Ihr Legacy-System aktualisieren müssen, wird durch die Installation einer SSD mit IDE-Schnittstelle anstelle einer Standard-Festplatte die Systemleistung erheblich verbessert.
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2,5" SATA SSD
Solid-State-Laufwerke mit Unterstützung für SATA 2 und SATA 3. Wird in kompakten Geräten und in industriellen Systemen verwendet, um die Leistung zu verbessern.
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M.2 SSD
Kompakte und vielseitige Solid-State-Erweiterungskarten mit hoher Schreibgeschwindigkeit, die SATA- und PCI-E-Schnittstellenkomponenten enthalten. Entwickelt für eine Vielzahl von Aufgaben.
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Mini-PCIeDOM
Flash-basiertes Speichergerät mit Mini PCI Express-Schnittstelle.
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Disk on Module
Horizontale, vertikale, mit oder ohne Gehäuse, niedriges Profil und drehbare DoM-Module, die direkt auf dem Mainboard installiert oder mit SATA/IDE-Kabeln (40 und 44 Pins) verwendet werden können.
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OCuLinkDOM
Ultrakompakte Solid-State-Laufwerke für Serverlösungen mit OCuLink-Verbindungsoberfläche, die über den PCI Express Gen3-Bus mit dem NVMe-Protokoll betrieben werden.
Ein Industriecomputer unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von seinem Kundenklassen-Pendant, aber die auffälligsten Unterschiede sind die Fähigkeit, im 24/7/365-Modus ohne Unterbrechungen oder Ausfallzeiten zu arbeiten, die Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturschwankungen, Vibrationen, Stöße und hohe Luftfeuchtigkeit. Diese anspruchsvollen Anforderungen an einen Industriecomputer gelten für alle seine Komponenten, einschließlich Speichergeräte.
Je nach Schutzgrad gegen diese Faktoren unterscheiden sich auch die Preise eines Flash-Speichergeräts. Daher ist es wichtig zu bestimmen, unter welchen Betriebsbedingungen das Endprodukt verwendet wird und welchen Temperaturen und Schwankungen es ausgesetzt sein wird.
Flash-Speicherlaufwerke können in zwei Hauptklassen unterteilt werden:
Ressourcen und Geschwindigkeit
Wie bereits erwähnt, gibt es Flash-Speicherzellen, die in der Lage sind, 2 (SLC), 4 (MLC), 8 (TLC) oder 16 (QLC) Ladungsniveaus zu speichern. In industriellen Innodisk-Flash-Speichern werden nur die ersten drei Technologien verwendet, aufgrund strenger Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Der Algorithmus zur Verarbeitung einer Ladung, die aus 16 Niveaus besteht, ist zu komplex, und unter Bedingungen von Spannungsspitzen und möglicher Funkstörstrahlung, die bei der Nutzung eines Industriecomputers auftreten können, kann dies zu einem schnellen Abbau der verbleibenden Ressource und somit zum Datenverlust führen.
Darüber hinaus gibt es neben den drei Haupttypen von Speicherzellen auch Enterprise-MLC-Zellen - eMLC. Innodisk bezeichnet diese Zellen als iSLC; sie sind das Mittel zwischen der Ausdauer von SLC und dem kostengünstigeren Preis von MLC.
ISLC-Laufwerke zeigen eine Leistung und Zuverlässigkeit, die mit SLC-Produkten vergleichbar sind, werden jedoch auf MLC-Flash-Hardware aufgebaut, was sie zu einer kostengünstigeren Lösung macht, die für Server und Systeme im Unternehmenssegment geeignet ist.
Bei der Verwendung von SSD basierend auf iSLC-Technologie können Sie sich der Datensicherheit sicher sein – die Lebensdauer wird im Vergleich zu standardmäßigen MLC-Produkten um ein Vielfaches erhöht.
Hier ist eine Vergleichstabelle der in Flash-Laufwerken verwendeten Speicherzellen in Bezug auf Preis/Ausdauer/Geschwindigkeit.
Lassen Sie uns vier Modelle von Innodisk Solid-State-Drives im 2,5" SATA-Formfaktor mit einer Kapazität von 128 Gigabyte, erweitertem Temperaturmodus -40°C bis 85°C, die für den Einsatz in eingebetteten Systemen konzipiert sind, vergleichen.
| Modellname, SSD 2,5” 128 GB, -40° bis 85°C, Embedded-Serie | NAND-Zelltyp | Kosten, USD | Anzahl der Umschreibzyklen (P/E) | Lese-/Schreibgeschwindigkeit (MB/s) |
|---|---|---|---|---|
| DES25-A28DK1EW3QF | 3D TLC | 100,40 | 3000 | 550/150 |
| DES25-A28M41BW1DC | MLC | 192,17 | 3000 | 530/190 |
| DHS25-A28M41BW1DC | iSLC | 429,18 | 20 000 | 540/400 |
| DES25-A28D06SWCQB | SLC | 1690,39 | 60 000 | 490/430 |
Wie man Innodisk-Modellnamen liest
Große industrielle Flash-Speicheranbieter wie Innodisk haben eine Vielzahl von Geräten mit ähnlichen Spezifikationen über verschiedene Produktlinien hinweg.
Um sich durch diese umfangreiche Auswahl zu navigieren und ein Laufwerk auszuwählen, das am besten für Ihre spezifischen Aufgaben geeignet ist, müssen Sie zunächst herausfinden, welche Arten von SSDs verfügbar sind und wofür sie bestimmt sind.
Als Beispiel betrachten wir den Modellnamen einer 2,5-Zoll-SATA-SSD:
(2.5" SATA SSD) – Formfaktor: verweist auf das Design des Flash-Speichergeräts.
(3MV2-P) – Serienname. Lassen Sie uns jedes Symbol nacheinander genauer betrachten und was es repräsentiert:
(3) – Generation: 1, 2 und 3.
Zuerst, zweite und dritte Generation Modelle sind verfügbar.
(M) kennzeichnet den NAND-Typ: S, M, I oder T.
| S: SLC | Hohe Schreibgeschwindigkeit, geringer Stromverbrauch und hohe Ausdauer. SLC-Flash-SSDs sind äußerst zuverlässig und besser für missionskritische Anwendungen geeignet. |
| M: MLC | Der Hauptvorteil von MLC-Flash-Speicher ist der niedrigere Preis aufgrund der höheren Datendichte. Dieser Vorteil macht MLC-basierte Solid-State-Drives zu einer ausgezeichneten Alternative zu herkömmlichen HDDs. |
| I: iSLC | iSLC ist eine exklusive Innodisk-Softwaretechnologie, die die Datenübertragungsraten und die Datenqualität verbessert, um die Schreibgeschwindigkeiten von SLC-Flash-Laufwerken zu erreichen. Durch die Verwendung spezieller Flash-Speicherverwaltung-Algorithmen erhöht iSLC die Ausdauer der SSD bis zu 20.000 Zyklen. |
| T: TLC | 3D-Flash basierend auf TLC ist eine neue Technologie mit aktualisierter Architektur. Diese Lösung bietet eine höhere Dichte der Informationsaufzeichnung zu niedrigeren Kosten. |
(V) – Anwendungsbereich, mit folgenden Serien verfügbar: E, G, R, V, S.
| E: Embedded | Laufwerke, die für industrielle eingebettete Systeme optimiert sind |
| G: EverGreen | Angemessene Geschwindigkeit und lange Lebensdauer |
| V: InnoREC | SSD für Videoüberwachung |
| R: InnoRobust | Spezialisierte Serie für die anspruchsvollsten Anwendungen |
| S: Server | Server-Boot-Geräte |
| I: InnoAGE | SSD mit Microsoft Azure Sphere |
(2) – Produktionsserie.
Diese Zahl kann von 1 bis 10 reichen oder überhaupt nicht vorhanden sein. Sie hat keine Bedeutung bei der Auswahl eines SSD-Laufwerks.
(-P) kennzeichnet das Vorhandensein eines DRAM-basierten Caches.
Der Cache wird hauptsächlich zur Speicherung der Adressübersetzungstabelle verwendet, was die Zugriffsgeschwindigkeit auf Flash-Speicher und das Schreiben von Dateien erhöht.
Für jeden 1 GB SSD-Speicher muss es einen 1 MB Cache geben. Somit muss eine SSD mit einer Kapazität von 120-128 GB einen 128 MB Cache, eine 240-256 GB SSD einen 256 MB Cache, eine 500-512 GB SSD einen 512 MB Cache und eine 960-1024 GB SSD einen 1024 MB Cache haben.
Eine SSD ohne DRAM-Puffer wird bei langen Schreibvorgängen kleiner Dateien langsamer.
Innodisk SSD-Serie
| Embedded | Die Embedded-Serie ist die beste Lösung für industrielle eingebettete Systeme aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer |
| EverGreen | Die EverGreen-Serie ist mit einem integrierten externen DRAM-Cache ausgestattet, der die Datenaustauschgeschwindigkeit erheblich verbessert und die Lebensdauer einer SSD verlängert |
| InnoREC | InnoREC-SSD-Laufwerke sind speziell für Videoüberwachung konzipiert und verfügen über intelligente Firmware-Algorithmen, die eine kontinuierliche, stabile Datenaufzeichnung gewährleisten |
| InnoRobust | Die InnoRobust-Serie erfüllt alle modernen Anforderungen an Geräte für kritische Anwendungen. Die Serie ist vollständig konform mit Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsstandards, einschließlich MIL-STD-810F/G und MIL-I-46058C. InnoRobust-Serie Solid-State-Laufwerke sind vollständig vor Staub, Stößen, Vibrationen und extremen Temperaturen geschützt |
| Server | SATADOM-Server-Boot-Geräte sind für eine einfache Serverintegration konzipiert, was zu einer robusten Lösung führt, und sind für Windows Server 2016 Hyper V und VMware zertifiziert |
| InnoAGE | SSD mit Microsoft Azure Sphere, einer sicheren, hochrangigen Anwendungsplattform mit integrierter Interoperabilität und Sicherheit für Geräte, die mit dem Internet verbunden sind |
Abgesehen von den oben aufgeführten Serien bietet Innodisk ein einzigartiges Produkt – die feuerfeste 3,5” Fire Shield SSD.
Die 3,5” Fire Shield Solid-State-Drives sind in der Lage, offenes Feuer bei 800°C für 30 Minuten zu überstehen und schützen die Speicherelemente vor äußeren Einflüssen.
Fazit
In diesem Artikel haben wir:
- erfahren, was eine SSD ist;
- den Begriff Flash-Speicher definiert und untersucht, was NOR- und NAND-Architekturen sind;
- herausgefunden, warum die NAND-Architektur besser für SSD-Laufwerke geeignet ist;
- Unterschiede zwischen den Arten von NAND-Speicherzellen (SLC, MLC, TLC, QLC) festgestellt;
- mehrere Innodisk-Modelle verglichen und herausgefunden, welche Zelltypen die größte Haltbarkeit und Zuverlässigkeit aufweisen und welche erschwinglich sind;
- definiert, was ein Formfaktor ist und wie sie in modernen Industrie-PCs verwendet werden;
- analysiert, welche Produktserien existieren und für welche Aufgaben sie am besten geeignet sind, wobei die Innodisk SSD-Serie als Beispiel dient.
Wir hoffen, dass dieses Material hilfreich ist, um Ihnen den Einstieg in die weite Welt der industriellen Flash-Speicherlaufwerke zu erleichtern.
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