Swissbit garantiert hohe Qualitätsstandards bei Flashprodukten Kritische Beurteilung von Flash-Speichern

Silvio Muschter, Swissbit: »Der Preisunterschied zwischen SLC- und MLC-Flash wird immer größer. Die Industrie muss sich allerdings bewusst sein, welche Kompromisse sie hinsichtlich Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit eingehen will.«
Silvio Muschter, Swissbit: »Ziel der Halbleiterhersteller ist es, durch neue Prozesse die Kosten pro Bit zu senken. Damit nimmt jedoch auch die Zuverlässigkeit der Flashzellen ab!«

Flash ist auf dem Vormarsch - auch in industriellen Applikationen. Weil hier jedoch die Anforderungen an ein Speichersystem ganz andere sind als in Consumer-Geräten, gilt es, die Speichersysteme entsprechend auszuwählen. Silvio Muschter, Chief Technology Officer von Swissbit, zeigt auf, wie groß mittlerweile die Qualitätsunterschiede bei Flash-Speichern sind und worauf der Industriekunde achten sollte.

Markt&Technik: Der Flash-Technologie eilt teilweise ein schlechter Ruf voraus. Industriekunden haben die Befürchtung, dass sich zum Beispiel die beschränkte Lebensdauer der einzelnen Flash-Zellen limitierend auf ihre gesamte Applikation auswirken kann . . .

Silvio Muschter, Swissbit: Firmen wie Swissbit, die sich als Industrie-Lieferanten verstehen, setzen ausschließlich Komponenten und Wafer ein, die den hohen Qualitätsanforderungen des Marktes gerecht werden. Das ist wichtig, denn die Halbleiterindustrie verzeichnet momentan ein starkes Wachstum vor allem im Bereich der Enter-prise-SSDs. Die Chip-Hersteller entwickeln derzeit also hochkapazitive Multi-Level-Cell- und sogar Triple-Level-Cell-Speicher, die mit entsprechendem Flash-Protokoll und DRAM-Cache auf Serverapplikationen zugeschnitten sind. Ein Ziel ist es, die Kosten pro Bit zu senken. Damit nimmt aber auch die Zuverlässigkeit der Flashzellen ab! Industrieapplikationen erfordern jedoch qualitativ hochwertige Speicherprodukte.

Wie groß sind die Qualitätsunterschiede?

Fehler bei Flash am Ende der Lebenszeit entstehen durch Stress, der speziell durch das Löschen und Schreiben über die Zeit auf das Tunneloxid der Flashzelle ausgeübt wird. Single-Level-Cell-Flash hat hier mehr Vorhalt und erreicht eine Lebensdauer von mindestens 100.000 Schreib-/Löschzyklen pro Zelle. Multi-Level-Cell-Flash weist dagegen je nach Qualität eine Lebensdauer von nur 1000 bis 10.000 Zyklen auf. Gleichzeitig wird auch der Preisunterschied zwischen Single Level Cell und Multi Level Cell immer größer. Die Industrie muss sich also bewusst werden, zu welchen Kompromissen sie bereit ist.

Und wie sieht es mit den Herstellungsprozessen aus? Bereits heute kann die Halbleiterindustrie Flash-ICs mit Strukturgrößen im Bereich von 20 nm feinen Strukturen fertigen. Eignet sich der aktuelle Flash in dieser Größenordnung überhaupt noch für den Einsatz in industriellen oder sicherheitskritischen Anwendungen?

Bis heute am Markt verfügbar sind noch immer Single-Level-Cell-Speicher mit 50-nm-Strukturen, die die Vorgaben an die Lebensdauer von 100.000 Schreib-/Löschzyklen teils um Faktoren übertreffen. Bei Strukturen im 40-nm-Bereich wird dieser Vorhalt kleiner, und wir raten den Kunden, etwas genauer zu evaluieren. Grundsätzlich kann man aber davon ausgehen, dass alle Flash-Speicher mit einer Größenordnung im 30-nm-Bereich die Vorgaben an 100.000 Schreib-/Löschzyklen erfüllen, bei einem Datenerhalt von 10 Jahren. Allerdings wird hier zum Beispiel eine signifikant aufwändigere ECC-Behandlung zwingend.

Über die Flash-Technologie im 20-nm-Bereich und deren generellen Einsatz für industrielle oder sicherheitskritische Anwendungen zu sprechen, halte ich im Moment aber zu verfrüht. Die Multi-Level-Cell-Versionen sind jedenfalls voll auf Standard-Consumer-Applikationen zugeschnitten und maximal für den Einsatz in privaten Kameras oder MP3-Playern zu empfehlen!

Wie kann der Industrie-Kunde sicherstellen, dass er trotz der sehr schnellen Entwicklungen im Halbleiterbereich auch weiterhin seine benötigten Single-Level-Cell-Speicher aus der entsprechenden Fertigungsgeneration beziehen kann?

Durch unsere starke Verwurzelung im Markt können wir den Kunden zum Beispiel garantieren, dass wir Single-Level-Cell-Speicher mit 4X-Strukturen sicher bis zum Jahr 2014 anbieten können - wahrscheinlich sogar darüber hinaus. Wir sind gerade dabei, einen neuen 4X-nm-Prozess zu evaluieren, der 2012 von einem unserer langjährigen Legacy-DRAM-Hersteller und Partner eingeführt werden wird. Aber auch mindestens ein namhafter Halbleiterhersteller hat eine längerfristige Strategie.

Ist es für den Kunden nachvollziehbar, wie hochwertig die eingesetzten Flash-Speicher sind?

Ob er gute oder schlechte Qualität eingekauft hat, merkt der Anwender oftmals leider erst nach einiger Zeit im Feld, wenn es also zu spät ist. Wir gewinnen heute immer noch viele Neukunden aufgrund schlechter Erfahrungen mit aufgebesserten Consumer- oder Low-Cost-Produkten. Vor allem bei Applikationen mit aufgelötetem Speichersystem sollte der Kunde besonders auf die Lebenszeit und auf die Zuverlässigkeit achten, weil man sich sonst sehr schnell das schwächste Glied in die Applikation designtd und somit die Lebensdauer des ganzen Systems beschränkt.

Und wie kann Swissbit sicherstellen, dass die Flash-Systeme allen Anforderungen der Industrie entsprechen?

Natürlich ist bei Flashprodukten vieles standardisiert, wie die Schnittstellen und Formfaktoren. Allerdings unterscheiden sich unsere Produkte im Flash-Handling und auch in der Flexibilität bezüglich der Konfiguration und Anpassung an spezifische Kundenbedürfnisse. Unsere Produkte durchlaufen alle einen definierten Qualifikations- und Testprozess. Die Industrie-Produkte testen wir intensiv in selbst entwickelten Testumgebungen (40/+85°C), wobei jedes auszuliefernde Modul den gesamten Temperaturbereich durchläuft. Des Weiteren prüfen wir neue Die-Shrinks oder Firmware-Versionen generell auf Schwachstellen; zudem durchlaufen diese immer die Kundenapplikation, wenn der Kunde sie uns zur Verfügung stellt. Die langjährige Erfahrung am Markt hat unseren Freigabeprozess sehr robust werden lassen.

Um die Industrieanforderungen bestmöglich zu erfüllen, setzen wir außerdem entsprechende Materialien ein, zum Beispiel dickere Goldschichten an Stellen, an denen häufig gesteckt werden muss. Auch bieten wir beispielsweise ’Conformal Coating‘ an, um Korrosion zu verhindern.

Swissbits Produktstrategie konzentriert sich im Flash-Bereich vorwiegend auf kleine Formfaktoren, weil Sie hier ihre Produktions- und Technologiekompetenz einbringen können. Wie hat sich ihr Flash-Geschäftsfeld in den letzten Jahren entwickelt?

Interessant ist, dass CompactFlash-Karten weiterhin einen großen Teil des Industrie-Flash-Geschäftes ausmachen. Faktisch wächst der Anteil noch immer. Daneben entwickeln sich die kleinen Formfaktoren, wie SD, MMC und µSD, sehr gut. Das CFast-Geschäft wächst etwas langsamer, aber stetig. Solid State Drives, etwa im 2,5-Zoll-Format, sowie mSATA und SlimSATA kommen nicht nur in Industrieanwendungen zum Einsatz, sondern auch im High-End-Computing-Bereich.

Andere Interfaces, wie USB oder PCIe, sind natürlich auch weiterhin im Rennen, wobei USB eher untypisch in der Industrie ist und PCIe erst am Anfang steht. Den auflötbaren Embedded-Lösungen, zum Beispiel als BGA, stehen wir noch etwas skeptisch gegenüber, was den Marktanteil betrifft. Dennoch haben wir diesbezüglich eine Lösung, die den Ansprüchen unserer Industriekunden gerecht werden kann, bereits in der Konzeptionsphase.

Am stärksten entwickelt hat sich aber der Service Level! Wir werden immer häufiger für Beratung und Design-In-Unterstützung angefragt. Dazu gehören Applikationsanalysen, genaue Lebensdauerberechnungen unter Einbeziehung des ’use case‘ und Joint Qualifications, also die Freigabe der Gesamtsysteme im Swissbit-Lab.