Neue NAND-Flash-Technologien Der beste Speicher für Embedded

Bild 3: »BENAND« kommt ohne ECC (Fehlerkorrekturcode) im Host-Controller aus und ist doch zu allgemeinem SLC-NAND-Flash kompatibel
Bild 3: »BENAND« kommt ohne ECC (Fehlerkorrekturcode) im Host-Controller aus und ist doch zu allgemeinem SLC-NAND-Flash kompatibel

Durch den Übergang von PCs hin zu Smartphones und Tablets erhöht sich die Nachfrage nach NAND-Flash für Embedded-Speicher, und der Markt für digitale Speicherlösungen ändert sich dramatisch. Seit seiner Erfindung im Jahr 1984 nimmt die Kapazität von NAND-Flash-Speicher stetig zu, und der Preis pro Gigabyte sinkt.

Digitale Daten werden in Unmengen erzeugt, gespeichert und gemeinsam genutzt, was zu einer Informationsexplosion führt, die Unternehmen und Verbraucher zu überlasten droht. In den nächsten Jahren wird laut dem Marktforschungsunternehmen IDC die weltweite Speicherkapazität von 2596 Exabyte (EB) im Jahr 2012 auf 7235 EB (7,235 Zetabyte) im Jahr 2017 ansteigen (Bild 1). 1 EB entspricht 1.000.000.000.000.000.000 (1018) Byte oder der Speicherkapazität von 31 Millionen 32-GByte-iPads.

Der Zuwachs bei »intelligenten« Geräten wie Tablets, Smartphones, Smart-Watches, Smart-Kühlschränke und Smart-Meter erhöht die Nachfrage nach NAND-Flash-Speicher, der sich auf kleinem Raum integrieren lässt. Hinzu kommt, dass Speichereinrichtungen auf NAND-Basis wie SSDs (Solid State Drives, Bild 2) und USB-Sticks zunehmend herkömmliche Festplatten (HDD) und optische Medien ersetzen – vor allem, wenn schneller Datenzugriff gefordert ist. In vielen Big-Data- und Cloud-Speichersystemen finden sich SSDs an der Spitze mehrstufiger Speichersysteme, die eine Reihe von SSDs und HDDs enthalten. NAND-Flash bildet die Spitze der Lithografie-Entwicklung im Halbleiterbereich, und NAND-Chips sind die kompaktesten ICs, die in Serie hergestellt werden.

Seit der Einführung der NAND-Prozesstechnologie durch Toshiba im Jahr 1984 hat sich die Strukturbreite von 700 nm auf 19 nm verkleinert. Zusammen mit der Einführung neuer Speicherzellen hat sich die Bit-Dichte auf mehr als das 2000-Fache erhöht. Neben der höheren Speicherdichte verfällt der Preis pro Gigabyte dramatisch. Dies geht sogar schneller vonstatten als der Anstieg der Bit-Dichte. Neben den Kostenvorteilen durch die kleineren Geometrien sorgen die Einführung effizienterer, automatisierter Prozesse und der Übergang zu größeren Wafern dafür, dass NAND für viele Anwendungen zum Speichermedium erster Wahl wird.

Eine der größten Herausforderungen beim Einsatz neuester NAND-Technik ist ein leistungsfähiger Fehlerkorrekturcode (ECC, Error Correction Code), der in den Controller integriert werden muss. Hier hat sich eine Aufholjagd entwickelt, der Controller hinkt der Entwicklung meist hinterher. Da NAND-Speicherblöcke verschleißen können, definiert der Hersteller eine Obergrenze für die Anzahl der Schreibvorgänge auf jede Speicherzelle. »Wear Levelling«-Algorithmen im NAND-Controller stellen sicher, dass die Zellen gleichmäßig genutzt werden.

Fehler korrigieren

Sogenanntes »e-MMC-NAND« bietet eine Alternative, hier befinden sich der NAND-Flash-Speicher und der Controller in einem einzigen Baustein. Das verringert die Zahl der Bauteile in einem System, und die Entwickler müssen sich keine Gedanken mehr über die Integration eines Controllers machen. Diese Chips kommen vor allem in schnellen Speicherkarten und USB-Sticks zum Einsatz, die den JEDEC-Standards entsprechen. Die Embedded-Controller führen Funktionen wie Fehlerkorrektur, Wear-Levelling und Bad-Block-Management durch, um einen korrekten Betrieb des NAND-Speichers zu gewährleisten.

Beim Übergang auf kleinere Prozessgeometrien sind ein komplexerer ECC und ein leistungsfähiger Host-Controller-Prozessor erforderlich. Für 43-nm-SLC (Single Level Cell) ist nur 1 Bit ECC pro 512 Byte erforderlich. Für 24-nm-SLC-NAND sind bereits 8 Bit ECC pro 512 Byte nötig. In vielen derzeitigen Anwendungen mit SLC-NAND-Speicher wie Industrieapplikationen, Kommunikationsprozessoren und Automotive-Systeme ist 1-Bit-ECC ohne nennenswerte Auswirkungen auf die Geschwindigkeit in die Host-Software integriert. Der Übergang zu neueren Speichern, die 4-, 8- oder sogar 24-Bit-ECC erfordern, erhöht die Prozessorauslastung und verringert somit die Geschwindigkeit. NAND-Chips mit Embedded-ECC umgehen dieses Problem. Toshibas »BENAND« ist eine solche Lösung und entlastet den Host-Prozessor um die ECC-Funktion, ohne dass ein zusätzlicher Hardware-Controller nötig ist (Bild 3). Die Technik nutzt die übliche NAND-Schnittstelle und ist somit kompatibel zu allgemeinem SLC-NAND-Flash bezüglich Befehlssatz, Betriebsspannung, Gehäuse und Anschlusskonfiguration.

Mehr Bits pro Zelle

Die Technologie steht zur Verfügung, um NAND mit noch kleineren Prozessgeometrien zu fertigen. Werden die Zellen immer kleiner, spielen aber die Ausdauer und Zuverlässigkeit eine Rolle. Dafür wurden NAND-Zellen entwickelt, die mehrere Bits speichern können – zwei Bits pro Zelle bei »Multi-Level Cell«-NAND (MLC) und drei Bits pro Zelle im Fall von »Triple Level Cell«-NAND (TLC). Dabei geht die Schreib/Lösch-Ausdauer jedoch deutlich zurück: Während SLC in etwa 100 000 Zyklen übersteht, hält MLC gerade einmal 5000 Zyklen und TLC nur noch 1000 Zyklen durch. SLC- und MLC-NAND findet sich heute in SSDs für den professionellen Einsatz, die häufigen Schreib/Löschzyklen standhalten müssen. MLC- und TLC-NAND ist vor allem in Consumer-SSDs anzutreffen, wo die Lesegeschwindigkeit und der Preis pro Gigabyte wichtige Faktoren für die Kaufentscheidung sind.

Neue NAND-Technologien beseitigen die Probleme, die durch mehr Bits pro Zelle entstehen. Kurz vor der Serienfertigung steht »3D NAND« – hier werden mehrere NAND-Flash-Lagen vertikal aufeinander gestapelt, sodass die horizontalen Abmessungen nicht schrumpfen müssen, um die nächsthöhere Speicherdichte zu erreichen. Auch MRAM (Magneto-Resistive Random Access Memory) ist im Kommen, dieser nichtflüchtige Speicher ist extrem schnell und bietet eine nahezu unbegrenzte Schreib/Lösch-Ausdauer. MRAM ermöglicht einen ganz anderen Speicherzugriff als NAND-Flash. Die Anwender nutzen NAND-Flash heute wie eine Festplatte: Beim Systemstart werden Codedaten vom NAND-Flash in das DRAM kopiert und dann vom DRAM aus ausgeführt. Beim MRAM entfällt dieser Kopiervorgang (Shadowing), die Daten stehen bereits beim Einschalten zur Verfügung, was wesentlich schneller ist – im Grunde ähnlich der DRAM-Geschwindigkeit. So wird weniger beständiges NAND benötigt, das sich dann für die längerfristige Datenspeicherung verwenden lässt.

Über den Autor:

Axel Stoermann ist General Manager Memory Technical Marketing and Application Engineering bei Toshiba Electronics Europe.

Speicherlösungen für das Internet der Dinge 

Für den Aufbau der Infrastruktur und der Knoten des Internet of Things spielt eine Vielzahl verschiedener elektronischer Technologien eine wichtige Rolle. Neben Mikrocontrollern, Sensoren und Signalverarbeitungselementen benötigen diese Anwendungen viel Speicherkapazität, was für ein explosionsartiges Wachstum bei flüchtigen und nichtflüchtigen Speichern sorgt.

Speicherbausteine enthalten den gesamten Code für ein funktionstüchtiges System, speichern sämtliche Arbeitsparameter und die in der Umgebung gemessenen Daten. Sie müssen absolut zuverlässig sein, die richtige Dichte, Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit aufweisen und sich durch extrem niedrigen Stromverbrauch für dauerhaften Betrieb auszeichnen.

NOR-Flashspeicher sind derzeit eine tragfähige und kosteneffiziente Lösung für die Datenspeicherungsanforderungen von IoT-Knoten. Nichtflüchtiges, pseudostatisches RAM (PSRAM) oder energiesparendes DRAM (LPDRAM) kann eine NOR-Flashspeicherlösung abrunden. Der Hersteller Micron bietet für diesen Anwendungstyp ein Lösungsportfolio mit geringem Stromverbrauch, hoher Leistung, verschiedenen Dichten sowie einem breiten Temperaturbereich.

In der nahen Zukunft werden die Knoten des Internets der Dinge noch wesentlich ausgefeilter sein und noch mehr Speicherkapazität erfordern. NAND-Flashlösungen werden dann die richtige Antwort sein. Bei jedem beliebigen Lithografieprozess ist die Dichte des NAND-Flashspeicher-Arrays höher als bei NOR-Flash. NAND-Flashlösungen ermöglichen schnellere Schreib- und Löschvorgange durch die Programmierung von Datenblocken. NAND-Flash ist ideal für preiswerte, schnelle Programmier-/Löschanwendungen hoher Dichte. SLC-NAND-Flash (Single Level Cell) kann bis zu 8 GByte groß sein und sinnvollerweise mit LPDRAM ergänzt werden.

Eine weitere Alternative für Highend-IoT-Knoten sind PCM-Lösungen (Phasenwechselspeicher) - diese Speichertechnologie basiert auf den physischen Eigenschaften eines als »GST« bezeichneten Chalkogenid-Materials. Im Vergleich zur heutigen Technologie bietet PCM zahlreiche Vorteile, denn es verbraucht von Natur aus wenig Strom und vereint die besten Merkmale herkömmlicher Speichergeräte: die Nichtflüchtigkeit des Flash-Speichers und die Bit-Veränderlichkeit des RAM, bei Lese-/Schreibgeschwindigkeiten, die eher mit dem Standard-RAM zu vergleichen sind als mit NOR-, NAND- oder EEPROM-Bausteinen. Qualität, Zuverlässigkeit und langfristige Verfügbarkeit sind für jede Speicherlösung wichtig, denn IoT-Knoten sind meist für jahrelangen Einsatz vorgesehen.

Micron Semiconductor