Langjährige Erfahrungswerte von MSC SSDs: Die Qualität macht den Unterschied

Robert Herth, MSC: »Die Schreib-/Lösch-Zyklen liegen bei SLC-Flash-Speichern bei ca. 100.000 pro Flash-Zelle. Bei MLC sind es nur ca. 5.000 bis 10.000 pro Flashzelle. Und bei heutigen MLC-Flashes, die mit 25-nm-Strukturen herstellt werden, gehen die Schreib-/Löschzyklen sogar auf 3000 pro Zelle zurück! Umso wichtiger werden Controller und Firmware.«
Robert Herth, MSC: »Die Schreib-/Lösch-Zyklen liegen bei SLC-Flash-Speichern bei ca. 100.000 pro Flash-Zelle. Bei MLC sind es nur ca. 5.000 bis 10.000 pro Zelle. Und bei heutigen MLC-Flashes mit 25-nm-Strukturen gehen die Schreib-/Löschzyklen sogar auf 3000 pro Zelle zurück!«

Bei SSDs kommt es insbesondere auf die Qualität der eingesetzten Flash-Chips an, sowie auf den Controller und die Firmware. MSC beschäftigt sich seit rund 20 Jahren mit dem Thema Flash. Bei aktuellen Strukturgrößen von 25 nm und kleiner ist eine umfassende Qualitätsbewertung der Technologie heute unerlässlich. Denn SSD ist nicht gleich SSD.

Hatte man vor zwei bis drei Jahren bei Flash-Chips noch Fertigungsstrukturen von 60 nm und größer, sind heute fast alle NAND-Flash-ICs standardmäßig bei Strukturbreiten von 43 oder 34 nm angelangt und aktuelle Bausteine basieren bereits auf Strukturen im 20-nm-Bereich. Damit wird es immer schwieriger, die Elektronen - also die gespeicherte Information - in solch kleinen Strukturen über einen definierten Zeitraum zu halten. 10-nm-Strukturen werden in der Industrie derzeit als untere Grenze angesehen.

Bei Flash-Halbleitern ist die halbdurchlässige Isolierschicht um das Floating Gate besonders kritisch. Die Isolierschicht soll die Elektronen mit wenig Aufwand (niedrige Schreibspannung) und so lange wie möglich und nötig dort halten. Derzeit geben die Hersteller eine Haltbarkeit von 10 Jahren an. Die laut Datenblatt begrenzten Lebenszyklen von Flash hängen damit zusammen, dass beim Löschen (Schreib-/Löschzyklus) die Oxidschicht der Flashzelle jedes mal mehr beschädigt und somit »dünner« wird, bis sie den logischen Zustand - Bit 0 oder 1 - nicht mehr abspeichern kann. Je größer die Speicherkapazität der SSD ist, umso höher ist daher auch die Anzahl der Reserveblöcke, um die Lebensdauer des Endproduktes dennoch hoch zu halten.

Der Aufbau der Flash-Technologie in Single- oder Multi-Level-Cell-Technologie spielt bei der Lebensdauer eine entscheidende Rolle. Die Schreiblösch-Zyklen liegen bei SLC-Flash-ICs bei ca. 100.000 pro Flash-Zelle und bei MLC bei nur ca. 5.000 bis 10.000 pro Flashzelle. Bei heutigen MLC-Flashes, die mit 25-nm-Halbleiterfertigungstechnologie herstellt werden, gehen die Schreib-/Löschzyklen sogar auf 3.000 pro Zelle zurück! Umso wichtiger werden dadurch Controller und Firmware in Bezug auf die Lebensdauer.

Aber nicht nur die Unterscheidung SLC oder MLC, sondern auch die Qualität bei der Herstellung im Fertigungsprozess ist entscheidend. Generell muss gesagt werden, dass die Qualität der Chips, unabhängig von welchem der vier großen Flash-Lieferanten sie stammen, sehr gut ist. Unterschiede bleiben aber trotzdem nicht aus. Nach unseren Untersuchungen der verschiedenen Flash-Chips - nach Hersteller und nach Struktur - gibt es Abweichungen, die sich auf die Lebensdauer der SSD auswirken. So kann schon eine Charge mit anderem Datecode oder aus einem anderen Produktionswerk leichte Auswirkungen auf die Qualität und damit auf das Thema Bad Block Management haben. Die Firma MSC hat selbst verschiedene Flashspeicher aufgebaut und Erfahrungswerte über die Jahre gesammelt. Bereits 1994 wurden Flash-SIMMs aufgebaut, später Flashkarten im PCMCI-Format und dann auch Compact-Flashkarten (CFC). Speziell bei den CFCs haben wir Versuche bezüglich der Schreib-Lösch-Thematik gemacht, um zu sehen, wie lange eine Flashzelle wirklich hält. Hier ergaben sich etwas unterschiedliche Maximalwerte zu den einzelnen Herstellern. Beispielsweise haben wir mit einem Samsung SLC-Flash über 500.000 Schreib-/Löschzyklen ohne Ausfall fahren können. Laut Datenblatt lag der typische Wert für Schreib/-Löschzyklen bei 100.000. Aus den Erfahrungen und Erkenntnis im Umfang mit Flash hat MSC ein eigenes Software-Tool (Flash Memory Diagnostic Tool/FMDT) zur Anzeige der Lebensdauer entwickelt, unter Berücksichtigung aller Werte der Hardware, der Software und der Applikation. Die Aussagen, die man damit gewinnen kann, sind insbesondere für Industrieanwendungen sehr interessant.

Um ein Gefühl der Lebensdauerbetrachtung bei SSDs zu bekommen, kann man folgende Angaben heranziehen: Als Privatperson werden im Durchschnitt ca. 5 bis 20 GB pro Tag bewegt. Bei Industriekunden und einer schreibintensiven Anwendung können das schon 100 GB und mehr sein. Bei Verwendung einer zum Beispiel 60-GByte-SSD ergeben sich:

  • MLC-SSD mit Flash: 5k Schreib-Löschzyklen, ca. 30 TB (WR=2)

Rechnet man dies auf 5 Jahre hoch, könnten ca. 16 GB/Tag geschrieben werden

  • SLC-SSD mit Flash: 100k Schreib-Löschzyklen, ca. 6000TB (WR=2)

Rechnet man dies auf 5 Jahre hoch, könnten ca. 330 GB pro Tag geschrieben werden.


Bei diesen Angaben, ohne Einbeziehung aller anderen Faktoren, die sich auf die Lebensdauer auswirken können, handelt es sich um rein theoretische Betrachtungen.
Da es eine Viehzahl an Applikationen einer SSD gibt, betrachten wir bei MSC die Anforderungen der Kunden und deren Anwendung immer im Einzelfall.