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12:57 01.08.2021
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Flash-basierte Speicher. So trifft man die richtige Wahl


In diesem Artikel werfen wir einen kurzen Blick auf die Architektur und Bauweise von Flash-Speichern und geben Hinweise für die Wahl einer SSD für

industrielle Anwendungen.

Ein Solid State Drives (SSD), auch Festkörperspeicher genannt, ist ein nichtflüchtiger Datenspeicher der Computertechnik, der aus Speicher-Chips und einem Mikrocontroller besteht.

Flash-Speicher (Engl.: flash memory) ist eine Art von Halbleitertechnologie für elektrisch löschbare programmierbare Speicher EEPROM (Engl.: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).

NOR- und NAND-Architekturen

Es gibt zwei Flash-Architekturen — die NAND- und NOR-Architektur, die sich vor allen Dingen in der Verschaltung der Speicherzellen unterscheiden. Jede Architektur hat ihre Vor- und Nachteile und ist dadurch für unterschiedliche Verwendungsbereiche geeignet.

NOR-Flash heißt so wegen der Datentrennung (Not OR — logisches NICHT-ODER). Die NOR-Architektur verwendet eine klassische zweidimensionale Leitermatrix mit jeweils Speicherzelle an jedem Schnittpunkt von „Zeilen“ und „Spalten“.

Dadurch können Daten in NOR schnell und wahlfrei zugegriffen werden und es ermöglicht das Schreiben und Lesen eines bestimmten Speicherplatzes, ohne den Speicher seriell abrufen zu müssen. Im Vergleich zu NAND-Flash können bei NOR-Flash Daten bis zu einer Größe von einem Byte zugegriffen werden.

NOR-Architektur ist vorteilhaft, wenn Daten zufällig geschrieben oder gelesen werden. NOR-Flash wird daher für den Programmspeicher von Mikrocontrollern, für das BIOS in PCs, für den Kleindatenspeicher bzw. den Betriebssystemspeicher in Handys oder Tablets verwendet.

NAND-Flash heißt so wegen der Datentrennung (Not AND — logisches NICHT-UND). Sie baut auf gleichartiger Matrix wie bei NOR auf, aber anstelle einer Speicherzelle (eines Transistors) wird an jedem Schnittpunkt eine Reihe von seriell verschalteten Speicherzellen verwendet.


NAND-Flash schreibt und liest Daten in kleinen Blöcken (Seiten) seriell mit hoher Geschwindigkeit. NAND-Falsh kann Daten nur Blockweise lesen und schreiben, kann im Gegenteil zu NOR jedoch nicht einzelne Bytes ansprechen.

SSD-Speicher mit NAND-Architektur sind preisgünstiger im Vergleich zu NOR und haben höhere Speicherdichte. NAND-Architektur kommt häufig in SSDs, USB-Sticks, Speicherkarten, Handys für den Speicher von Benutzerdaten und anderen Geräten zum Einsatz, in denen Daten seriell geschrieben werden.

NAND-Architektur kommt in den meisten aktuellen SSDs zum Einsatz und ist daher für uns besonders interessant.

NAND der zweiten Generation — 3D-NAND

Mit der zweiten Generation von NAND-Flash wurde versucht, Flash-Speicher kostengünstiger zu machen, wenn Technologie nahe bei 10 Nanometern lag und ein weiteres Verkleinern des Kristalls auf der X- und Y-Achse nicht mehr möglich war.


Bei der neuen NAND-Architektur werden die Speicherblöcke auf dem Chip vertikal verschaltet, es kommt die dritte Dimension, die vertikale Z-Achse, hinzu. Die Speicherzellen werden übereinander gestapelt und der Kristall hat eine mehrschichtige 3D-Struktur.

Die vertikale Struktur sorgte für extrem höhere Speicherdichte. Dank vertikaler Achse bestand keine Abhängigkeit mehr von anderen Achsen, man brauchte keine kleineren Chips mehr, und viele Hersteller wechselten zurück zum preisgünstigeren 30-Nanometer-Prozess.

Speicherzellen

Eine Speicherzelle kann ein, zwei, drei oder vier Bits an Informationen speichern. Physikalisch sind alle vier Typen von NAND-Speicherzellen aus gleichen Transistoren gebaut. Der Unterschied ist nur die Menge der von der Speicherzelle aufgenommenen Ladung.


Ein-Bit-Zellen unterscheiden nur zwischen zwei Ladezuständen am Floating Gate. Solche Zellen heißen Single-Level-Zellen (single-level cell, SLC). SLC-Flash hat den höchsten Preis, hohe Leistung, geringen Stromverbrauch, höchste Schreibgeschwindigkeit und Zahl der Schreibzyklen.

Multi-Bit-Zellen können mehrere Spannungsniveaus aufnehmen; sie heißen Multi-Level-Zellen (multi-level cell, MLC). MLC sind preiswerter und haben eine höhere Kapazität als SLC, haben aber höhere Zugriffszeiten und überleben um etwa eine Größenordnung weniger Schreibzyklen. In MLC-Flash speichert man 4 Spannungsniveaus (2 Bit) pro Speicherzelle.

Noch billiger (umgerechnet in Preis der Speicherung einer Dateneinheit) ist TLC-Flash (triple-level cell) mit 8 Ladungsgrößen (3 Bit). Zudem liegt TLC bei Lese-/Schreibgeschwindigkeit und max. Schreibzyklen hinter SLC und MLC zurück.

Es gibt auch Flash mit 16 Spannungsniveaus pro Speicherzelle (4 Bit), QLC (quad-level cell). QLC hat den niedrigsten Preis pro 1 GB und nähert sich damit den Kosten einer herkömmlichen Festplatte.

Derzeit dominiert Multi-Level-Flash den Markt. Dennoch werden SLC-Produkte trotz ihrer vielfach geringeren Kapazität und hohen Kosten weiterhin für anspruchsvolle Anwendungen entwickelt und gebaut.

Enterprise Flash-Speicher mit Lösungen von Innodisk wählen

Bei der Wahl einer SSD spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Das sind vor allem Formfaktor, Einsatzbereich, Betriebsbedingungen, Geschwindigkeit und Lebensdauer.

Formfaktor

Die Auswahl eines Speichers beginnt mit der Bestimmung des Steckplatzes und Anschlusses, an welchem der Speicher angeschlossen werden soll. Es gibt heutzutage eine Vielzahl von Formfaktoren und Schnittstellen für Flash-Laufwerke auf dem Markt. Am häufigsten ist wohl der 2,5"-Formfaktor mit einem 3. Generation SATA-Anschluss. 2,5"-SATA-Anschluss ist in fast jedem aktuellen PC oder Laptop zu finden und ist vielseitig genug, um sowohl eine klassische Festplatte als auch ein Flash-Laufwerk anzuschließen.

Einsatzbedingungen

Industrie-Computer unterscheiden sich von ihren haushaltsüblichen Pendants in erster Linie durch die Eignung für Dauerbetrieb im 24/7/365-Modus, Resistenz gegen Temperaturschwankungen, Vibration, Schock und hohe Luftfeuchtigkeit. Anforderungen des Industriestandards gelten für alle Komponenten von Industriecomputern, auch für Laufwerke.

Die Unempfindlichkeit gegenüber den oben genannten Faktoren bestimmt den Preis eines Flash-basierten Geräts. Es ist daher wichtig, die Betriebsbedingungen des Endprodukts, insbesondere Temperaturspanne, zu wissen.

Allerdings sind alle Innodisk Produkte industrietauglich und beinhalten eine Vielzahl von physikalischen und technologischen Sicherheitsvorkehrungen.

Flash-Geräte lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen:

Lebensdauer. Geschwindigkeit

Wie wir bereits gelernt haben, gibt es Flash-Speicherzellen, die 2 (SLC), 4 (MLC), 8 (TLC) oder 16 (QLC) Spannungsniveaus aufnehmen können. Nur die ersten drei werden von Innodisk aufgrund hoher Anforderungen an die Ausfallsicherheit in Industrie-Flash-Speichern eingesetzt. Der Algorithmus für 16-stufige Ladungen ist einfach zu aufwendig und kann bei Spannungsschwankungen und HF-Störungen, die im Betrieb eines Industrie-Computers auftreten können, Degradation der Endurance und Datenverluste bewirken.

Es gibt neben den drei Speicherzelltypen auch noch Enterprise MLC-Zelle — eMLC. Bei Innodisk heißen diese Zellen iSLC und bieten einen goldenen Mittelweg zwischen hoher Lebensdauer von SLC und niedrigen Kosten von MLC.

iSLC hat mit SLC-Produkten vergleichbare Leistung und Verlässlichkeit, ist aber auf MLC-Hardware gebaut und bietet damit eine kostengünstigere Lösung, die für Enterprise-Server und -Systeme geeignet ist.

Die Lebensdauer von iSLC-SSD ist mehrfach länger als bei Standard-MLC-Flash — damit sind Ihre Daten sicher.

Nachfolgend finden Sie eine Übersicht der Flash-Speicherzellen nach Preis/Lebensdauer/Geschwindigkeit.

Im Vergleich stehen vier 128 GB Innodisk 2,5" SATA SSDs für erweiterten Temperaturbereich (−40…+85), konzipiert für Embedded Anwendungen.

Bezeichnung, SSD 2,5" 128 GB, −40…+85 °C, Embedded Serie Speicherzelle-Typ NAND Preis pro 128 GB in SE Gesamtzahl der Schreibzyklen (S/L) Geschwindigkeit Lesen/Schreiben (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

Erläuterung der Innodisk-SSD-Bezeichnungen

Formfaktor. Speichertyp. Serie

Große Hersteller von Industrie-Flash-Speichern, wie z.B. Innodisk, bieten oft Geräte mit ähnlicher Spezifikation in unterschiedlichen Baureihen an.

Um sich zurechtzufinden und die geeignete SSD zu wählen, ist es wichtig zu wissen, welche SSDs es gibt und wofür sie gut sind.

Nehmen wir als Beispiel 2,5" SSD mit einer SATA-Schnittstelle:


Links (2,5" SATA SSD) steht der Formfaktor.
Rechts (3MV2-P) steht die Serie. Schauen wir uns diese genauer an.
(3) — Generation: 1, 2, 3.
Zum Beispiel die erste, zweite oder dritte.

(M) steht für Typ des NAND-Flash: S, M, I, T.

S: SLC Hohe Schreibgeschwindigkeit, geringe Leistungsaufnahme und hohe Schreibzyklen. SLC-Flash-SSDs sind ausfallsicher und eignen sich für unternehmenskritische Anwendungen.
M: MLC Der Hauptvorteil von MLC-Flash sind geringere Kosten aufgrund höherer Datendichte. MLC-Flash-SSDs sind somit ein optimaler Ersatz für herkömmliche HDDs.
I: iSLC iSLC ist eine exklusive Softwaretechnologie von Innodisk, die mit besseren Übertragungsraten und Datenqualität die Schreibgeschwindigkeit von SLC-Flash nahezu erreicht. Durch optimierte Speicher-Verwaltungsalgorithmen erhöht iSLC die SSD-Lebensdauer auf 20000 Zyklen.
T: TLC TLC-3D-Flash-Speicher ist eine neue Technologie mit einer verbesserten Architektur. Diese Lösung bietet höhere Speicherdichte bei geringeren Kosten.

(V) — Einsatzbereich, Baureihe. Das sind: E, G, R, V, S.

E: Embedded Optimierte Laufwerke für industrietaugliche Embedded-Anwendungen.
G: EverGreen Optimale Geschwindigkeit und Lebensdauer.
V: InnoREC SSD für Videoüberwachung.
R: InnoRobust Baureihe für die anspruchsvollsten Anwendungen.
S: Server Server-Boot-Geräte.
I: InnoAGE SSD mit Microsoft Azure Sphere an Bord.

(2) — Fertigungsserie von Produkten.

Zwischen 1 und 10, muss nicht unbedingt vorhanden sein. Ist bei der Kaufentscheidung über SSD-Laufwerk nicht maßgeblich.

(-P) weist auf vorhandenes DRAM-Cache hin.

Zwischenspeicher (Cache) wird hauptsächlich zur Speicherung der Adressübersetzungstabelle für schnelleren Zugriff auf Flash und Schreiben von Dateien verwendet.

Man sollte 1 MB Zwischenspeicher pro 1 GB SSD zur Verfügung haben. So sollte eine 120–128 GB SSD 128 MB, 240–256 GB SSD jeweils 256 MB, 500–512 GB SSD jeweils 512 MB, 960–1024 GB SSD jeweils 1024 MB Platz im Zwischenspeicher haben.

Geschwindigkeit einer SSD ohne DRAM-Zwischenspeicher nimmt bei langen Schreibvorgängen von kleinen Dateien ab.

Innodisk-SSD-Baureihen

Embedded Die Embedded-Reihe ist die beste Lösung für industrietaugliche Embedded-Systeme, da die Produkte dieser Baureihe sehr robust sind und eine hohe Lebensdauer haben.
EverGreen Die EverGreen-Baureihe ist mit integriertem externen DRAM-Zwischenspeicher ausgestattet, der Datenübertragungsgeschwindigkeit und Lebensdauer von SSD erheblich verbessert.
InnoREC InnoREC SSD wurden speziell für Überwachung entwickelt und verwenden intelligente Firmware-Algorithmen, die eine kontinuierlich stabile Datenaufzeichnung garantieren.
InnoRobust Die InnoRobust-Baureihe entspricht dem heutigen Stand der Technik für anspruchsvolle Anwendungen. Diese Baureihe ist voll und ganz kompatibel mit Luft-, Raumfahrt- und Rüstungsstandards, einschließlich MIL-STD-810F/G und MIL-I-46058C. InnoRobust-SSD sind staub-, stoß-, vibrations- und temperaturbeständig.
Server SATADOM-Server-Boot-Geräte sind für einfache Integration mit dem Server und zuverlässige Funktion konzipiert. Die Geräte sind für Windows Server 2016 Hyper V und VMware zertifiziert.
InnoAGE SSD mit Microsoft Azure Sphere an Bord. Azure Sphere ist eine abgesicherte, Anwendungsplattform auf hoher Ebene mit integrierten Kommunikations- und Sicherheitsfunktionen für mit dem Internet verbundene Geräte.

In Ergänzung zu oben genannten Baureihen bietet Innodisk einzigartige brandsichere Laufwerke 3,5"-Fire-Shield-SSD.

3,5"-Fire-Shield-SSD sind in der Lage, einer offenen Flamme von 800 °C bis zu 30 Minuten lang standzuhalten, wodurch die Speicherzellen vor äußeren Einflüssen abgesichert sind.

Fazit

In diesem Artikel haben wir folgende Fragen beantwortet:

  • Was ist eine SSD?
  • Was ist Flash-Speicher und welche Architekturen gibt es (NOR, NAND)?
  • Warum ist NAND-Architektur eine bessere Option für SSD?
  • Was ist der Unterschied zwischen den Typen von NAND-Speicherzellen (SLC, MLC, TLC, QLC)?
  • Wir haben verschiedene Innodisk-Produkte verglichen, um festzustellen, welche Zellentypen die größte Lebensdauer und Ausfallsicherheit bieten und welche am billigsten sind.
  • Wir haben gelernt, was ein Formfaktor ist und welche Formfaktoren in heutigen Industrie-PCs verwendet werden.
  • Am Beispiel der SSD von Innodisk haben wir geschaut, welche Produktreihen es gibt und für welche Anwendungen sie besonders gut sind.

Ich hoffe, dass meine Ausführungen für Sie hilfreich waren und Ihnen einen Überblick über Industrie-Flash-Speicher verschafft haben.


Für weiterführende Informationen oder Bestellungen wenden Sie sich am besten an unser Sales Team via e-Mail: sales@ipc2u.de oder kontaktieren Sie uns direkt per Telefon: +49 (0)511 807 259 0

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