Mobilgeräte Speicherlösungen profitieren von MEMS-Oszillatoren

An Flash-Speicher für mobile Systeme werden erhebliche Anforderungen hinsichtlich Größe, Stromverbrauch, Erschütterungsfestigkeit und Lebensdauer gestellt. Dies alles spricht für moderne MEMS-Oszillatoren wie die von Discera. Diese sind beim Distributor WDI erhältlich.

Noch in den 1990er-Jahren wurde die Solid-State-Speichertechnik (SSS) ausschließlich für spezielle kleinformatige Speicheranwendungen verwendet, beispielsweise in Digitalkameras oder USB-Sticks. Da für diese Technologie die Kosten pro Gigabit immer weiter sinken, konkurriert SSS mittlerweile mit den traditionellen Festplattenlaufwerken (HDD) und verdrängt diese zunehmend im Bereich des Client- und Enterprise-Computing.

In der Solid-State-Technik kommen nichtflüchtige Speicher als Speichermedien zum Einsatz, die im Gegensatz zu Festplattenlaufwerken keinerlei bewegliche Teile wie etwa Magnetscheiben aufweisen. Die Architektur von SSD-Geräten besteht aus einem eingebetteten Prozessor, der die Lese-, Schreib-, Lösch-, Verschlüsselungs- und Fehlererkennungsoperationen für ein Netzwerk von Speicherblöcken steuert. Solche Speichereinheiten zeichnen sich durch schnellere Zugriffszeiten, geringere Größe, niedrigeren Energieverbrauch, geringeren Kühlungsbedarf, höhere Stoß- und Erschütterungsfestigkeit sowie größere Zuverlässigkeit aus.

In Solid-State-Laufwerken werden Lese- und Schreiboperationen mithilfe der NAND-Flash-Speichertechnik ausgeführt. Dabei ähnelt die Funktionsweise eines NAND-Flash-Speichers der eines elektrisch lösch- und programmierbaren Nur-Lese-Speichers, kurz EEPROM. Die wichtigste Komponente des NAND-Flash-Speichers ist der Floating-Gate-Transistor, da durch das Floating-Gate die Anforderungen an die Größe der Speicherzelle minimiert werden, sodass sich eine im Vergleich zu anderen Konfigurationen erheblich größere Speicherdichte erzielen lässt.

Im NAND-Flash erfolgen die Lese- und Schreiboperationen blockweise bei einer typischen Blockgröße von 4 KBit (4096 Bit). Diese wichtige Messgröße für Solid-State-Speicher wird als P/E-Zyklus (Program/Erase) bezeichnet und dient zum Vergleichen der Lebensdauer der verschiedenen Speicherzellen. In den NAND-Flash-Konfigurationen werden sogenannte Single-Level-Cells (SLC) verwendet, die jeweils 1 Bit speichern, oder Multi-Level-Cells (MLC) mit 2 Bits, 3 Bits oder 4 Bits pro Speicherzelle. Dabei können Speicherzellen entweder auf maximale Speicherdichte oder auf einen optimierten P/E-Zyklus konfiguriert sein; beide Spezifikationen stehen im umgekehrten Verhältnis zueinander. Die typische Leistung einer SLC beträgt über 100000 P/E-Zyklen, bei MLC mit Speicherung von zwei Zuständen je Speicherzelle (MLC-2) liegt sie bei über 3000 bis 10 000 P/E-Zyklen pro Speicherzelle. Als dritte Konfiguration sind mittlerweile auch sogenannte Enterprise-MLC (eMLC) verfügbar. Sie haben die gleiche Speicherdichte wie MLC-2, liegen dabei jedoch mit mehr als 20 000 bis 30 000 P/E-Zyklen pro Speicherzelle deutlich besser. Tabelle 1 stellt die Parameter für Solid-State-Speicher im kommerziellen und im industriellen Einsatz einander gegenüber.

Parameter kommerzieller Einsatz industrieller Einsatz 
Betriebszeit8 Stunden/Tag24 Stunden/Tag
Stoßfestigkeit350 g1500 g
P/E-Zyklen> 2000 > 40000 
MTBF> 2 Mio. Stunden > 2 Mio. Stunden 
Tabelle 1: Gegenüberstellung der Parameter für Solid-State-Speicher im kommerziellen und im industriellen Einsatz

Die Solid State Storage Initiative (SSSI) benennt vier Hauptkonfigurationen beziehungsweise -anwendungen: 

  • Solid-State-Drives (SSD) sind in Form, Passung und Funktion als Drop-in-Ersatz für Designs bestehender Festplatten konfiguriert. 
  • Solid-State-Cards sind auf Leiterplatten untergebracht und verwenden einen Standard-PCIe-Bus als Schnittstelle. 
  • Doppelreihige Speichermodule (DIMM oder SO-DIMM). Diese können Parallel-ATA-Bus-Schnittstellen (wie z.B. bei Compact-Flash-Speicherkarten) oder SATA-Bus-Schnittstellen (CFast-Speicherkarten) verwenden. 
  • Tragbare USB-Speichersticks. Die Klassifikation dieser Produkte orientiert sich an den Anforderungen der Nutzer. 

Temperaturverhalten und MTBF

Da die SSS-Architektur ohne bewegliche Teile auskommt, entfallen die normalerweise für die Zwangskühlung verwendeten Lüfter. Bei SSS-Produkten kann auch ohne Zwangskühlung mit einer höheren Temperaturtoleranz gerechnet werden. MEMS-basierte Oszillatoren sind durch deren Architektur und Kompensations-PLL für solche Umgebungen besonders geeignet. Bei den MEMS-Produkten von Discera (Vertrieb: WDI) wird die Innentemperatur des MEMS-Resonators gemessen und durch die numerische Kompensation des PLL-Frequenzteilers eine konstante, kompensierte Frequenz über einen Betriebstemperaturbereich von -40 ºC bis +85 ºC erzielt, bei Bedarf sogar von -55 ºC bis +125 ºC. Darüber hinaus wird der Temperaturanstieg in Solid-State-Speichern durch den geringen Stromverbrauch der MEMS-Oszillatoren minimiert. Die Leistungsaufnahme von MEMS-basierten Oszillatoren kann je nach Konfiguration des Ausgangsformats von 200 mW bis zu 20 mW betragen. Neue Produkte mit einer Leistungsaufnahme von 2 mW sind seit Ende 2013 auf dem Markt.

Eine Spezifikation, die näherer Erläuterung bedarf, ist der MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) von über 2 Millionen Stunden. Diese Spezifikation besagt nicht, dass eine einzelne Einheit zwischen zwei Ausfällen über 228 Jahre arbeitet, sondern ist nur eine statistische Angabe. Sie bezieht sich auf eine Grundgesamtheit von über 2 Millionen Einheiten, bei der in einer Betriebsstunde höchstens ein einziges Bauteil ausfällt. Betrachtet man beispielsweise nur den Taktgeber für eine SSD-Baugruppe, wird ein potenzielles Problem erkennbar: So ist beispielsweise die Ausfallrate (dargestellt als Erwartungswert für MTTF bzw. MTBF) bei Verwendung von herkömmlichen quarzbasierten Oszillatoren höher als bei Verwendung von MEMS-Oszillatoren.

Die MTTF-Werte handelsüblicher Quarzoszillatoren liegen bei einer Betriebstemperatur von +85 ºC bei etwa 1,6 Millionen bis 1,75 Millionen Stunden. Demgegenüber weisen die MEMS-Oszillatoren von Discera MTTF-Raten (Mean Time To Failure) von mehr als 5,6 Millionen Betriebsstunden bei +85 ºC auf (Bild 1).

Mechanische Erschütterungen wirken sich negativ auf die Leistung und die Ausfallhäufigkeit von Quarzoszillatoren aus. Die im Zusammenhang mit Erschütterungen entstehenden Beschleunigungen können zu einer kurzzeitigen Verschiebung der Resonanzfrequenz des Quarzes führen. Dabei kann eine längere Exposition von Quarz und Gehäuse zu einer dauerhaften Frequenzverschiebung führen. Stärkere Erschütterungen können im schlechtesten Fall den Quarz beschädigen beziehungsweise zerstören und dadurch Ausfälle verursachen. Im Gegensatz dazu sind MEMS-Oszillatoren aufgrund der sehr geringen Masse des verwendeten Resonators äußerst widerstandsfähig gegen mechanische Erschütterungen. So wiegt der in den MEMS-Oszillatoren von Discera eingesetzte Resonator gerade einmal 7,2 ng (Nanogramm). Aufgrund dieser sehr geringen Masse zeigen die damit ausgerüsteten Oszillatoren in den Tests bei Stoßbeschleunigungen von 10  000 g eine Frequenzverschiebung von unter 2 ppm.

Mobile SSS-Produkte wie USB-Datensticks können ziemlich klein und kompakt sein. Mit abnehmender Größe von Resonator und Gehäuse werden Quarzoszillatoren jedoch immer teurer. In MEMS-Oszillatoren wird der weltweit kleinste Resonator eingesetzt, eine 450 µm x 450 µm große MEMS-Einheit auf einem kleinen CMOS-ASIC mit der dazugehörigen Elektronikinfrastruktur. MEMS-Oszillatoren von Discera sind in Kunststoffgehäusen mit Abmessungen von 2,5 mm x 2,0 mm oder in besonders kleinen CSP-Gehäusen mit 1,6 mm x 1,2 mm bis zu 1,0 mm x 1,0 mm verfügbar. Die kleineren Bauformen bedeuten bei MEMS-Produkten keine Einbußen in Bezug auf Zuverlässigkeit und Leistung, da für alle Bauformen der gleiche Die verwendet wird.

Über die Autoren:

Scott Griffith ist Director of Applications Engineering bei Discera und Niels Hagen arbeitet im Produktmarketing FCP bei WDI.

Discera weiter bei WDI erhältlich 

Im September 2013 wurde Discera vom Chiphersteller Micrel übernommen. Dadurch ist in den kommenden Jahren ein weiterer Technologieschub bei MEMS-Oszillatoren zu erwarten. Trotz dieser Übernahme verbleiben die MEMS-Oszillatoren im Vertriebsprogramm von WDI.