Speicher-Chips, getrimmt auf Consumer-Anwendungen Wird Flash zur heiklen Angelegenheit?

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: »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.«

Die Hersteller von NAND-Flash-ICs setzen derzeit alles daran, die Chips für volumenstarke Consumer-Anwendungen weiter zu optimieren. Für den Einsatz in der Industrie kann das allerdings zu ernsten Problemen führen, weil die Lebensdauer damit zum Teil drastisch sinkt.

Kleinste Fertigungsstrukturen im 20-nm-Bereich sowie Multi-Level-Cell-Architekturen ermöglichen es den Halbleiterherstellern, die Speicherkapazität zu erhöhen und die Kosten deutlich zu reduzieren. Doch das kann zu Lasten der Qualität gehen, wie sie beispielsweise in industriellen Applikationen gefordert ist. Das bestätigt auch Silvio Muschter, Chief Technology Officer von Swissbit: »Die Roadmaps der Halbleiterhersteller zielen auf hochkapazitive Multi- und Triple-Level-Cell-Komponenten ab, die mit entsprechendem Flash-Protokoll und DRAM-Cache für Server-Applikationen optimiert werden. Dadurch sinkt der Preis pro Bit, aber auch die Zuverlässigkeit der einzelnen NAND-Flash-Zellen.«

Besonders weil die führenden Speicherhersteller aktuell bei Fertigungsgeometrien von 27 nm bis hinab zu 20 nm angelangt sind, wächst das Problem. Denn Fehler bei Flash am Ende der Lebenszeit entstehen aufgrund des Stresses, der durch Löschen und Schreiben über die Zeitspanne auf das Tunneloxid der immer kleineren Flashzellenstrukturen ausgeübt wird. Die Folgen: Während bewährte NAND-Flash-Speicher mit Fertigungsstrukturen größer als 30 nm in Single-Level-Cell-Technologie normalerweise eine Lebensdauer von mindestens 100.000 Schreib-/Löschzyklen pro Zelle erreichen, weisen »neue Multi-Level-Cell-Speicher je nach Qualität eine Lebensdauer von nur 1000 bis 10.000 Zyklen auf«, verdeutlicht Silvio Muschter.

Und der Speicherexperte schildert weiter: »Das größte Missverständnis im Zusammenhang mit Flash ist der Glaube, dass man durch ein intelligentes Flash-Management den MLC-Flash signifikant ’besser‘ machen kann. Intelligentes Flash-Management kann zwar unnötigen Stress verhindern. Auch Threshold-Anpassungen und ECC können die Lebenszeit verlängern, jedoch sind gleiche Algorithmen ebenso bei Single-Level-Cell-Speichern anwendbar. Damit bleibt eine Diskrepanz hinsichtlich der Lebensdauer um den Faktor 10 bis 100 bestehen.«

Der Preisunterschied zwischen SLC und MLC wird immer größer, die Industrie muss sich daher bewusst sein, zu welchen Kompromissen sie hinsichtlich der Verfügbarkeit (Stichwort »frozen BOM«) und Zuverlässigkeit bereit ist. In industriellen Anwendungen rät Swissbit in fast allen Fällen, auf Single-Level-Cell-Speicher zu setzen und immer das Speichersystem entsprechend der exakten Anforderungen auszuwählen. Vor allem bei Applikationen mit aufgelöteten Speichersystemen müssen Lebensdauer und Zuverlässigkeit im Vordergrund stehen, denn sonst »designt man sich sehr schnell das schwächste Glied in die Applikation und begrenzt damit die Lebenszeit des gesamten Systems«, betont Silvio Muschter. Er bekräftigt, dass echte Industrielieferanten wie Swissbit und andere dafür bekannte Firmen nur Komponenten und Wafer einsetzen, die den Qualitäts-anforderungen dieses Marktes entsprechen.

Swissbit garantiert zum Beispiel, dass das Unternehmen Single-Level-Cell-Speicher aus einer Prozessgeneration noch im 40-nm-Bereich bis mindestens 2014 anbieten wird - und wahrscheinlich darüber hinaus. Sollte die Wahl jedoch auf Flashes mit kleineren Prozessstrukturen fallen, rät das Unternehmen den Industriekunden dazu, zumindest genauer zu evaluieren.
Mit Anbietern, die sich auf den Industriemarkt fokussieren, ist der Kunde also auf der sicheren Seite. Bei eher preisgetriebenen Consumer-Produkten anderer Hersteller bleibt ein Risiko bestehen: »Ob der Anwender gute oder schlechte Qualität eingekauft hat, merkt er leider oft 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«, berichtet der Speicher-experte.

Auch wenn den Flashprodukten deswegen ein schlechter Ruf vorauseilen mag, darf nicht ein falscher Eindruck entstehen: Flash-basierte Systeme sind zum Beispiel im Vergleich zu Festplatten mechanisch wesentlich robuster und somit auch zuverlässiger. Sie haben keine beweglichen Teile, entwickeln weniger Hitze und sind beständiger gegenüber Vibrationen. Es handelt sich um eine sehr zuverlässige Speicherlösung für anspruchsvolle Industrieapplikationen, legt man sie entsprechend der Anforderungen der Anwendung aus. Nur ist das heute noch nicht immer der Fall.

»Heute werden die NAND-Flash-Systeme oftmals mit der Server-Applikation und dem dort geforderten Datentransfer verglichen«, erklärt Silvio Muschter. »Aber für Industrieapplikationen ist das teilweise vollkommen irrelevant, weil die Anwendungen oft sehr spezifisch sind und andere Betriebssystemeinstellungen und Zugriffsmethoden zum Einsatz kommen. Zusätzlich kommt zum Tragen, dass nicht jeder Formfaktor den Platz für den zwingend notwendigen DRAM und leistungsstarken Prozessor mitbringt. CFAST, mSATA, SlimSATA oder speziell die Wechselmedien SD, MMC, µSD und CF weisen eine begrenzt Fläche auf. Das heißt, dass der Flash-Speicher von vornherein zuverlässig und langlebig sein muss. Würde man nun wiederum DRAMs einsetzen, wäre das Power-Fail-Verhalten zu optimieren«, beschreibt der Speicherexperte die Herausforderung.

Swissbit hat eigenen Angaben zufolge im Flash-Bereich großes Know-how aufgebaut. Man arbeitet eng mit Controller-Herstellern zusammen und entwickelt die Performance steigernde Firmware selbst. Des Weiteren bietet das Unternehmen jedem Kunden eine Lebensdauerberechnung an, die allerdings voraussetzt, dass der »Use Case« genau beschrieben wird und auch alle betriebssystemrelevanten Einstellungen und Parameter bekannt sind.

Neben der Produktentwicklung investiert Swissbit stark in Testprozesse und in neue Verfahren, um bei Speichermodulen effizient und mit hoher Qualität die moderaten Stückzahlen der Industriekunden produzieren zu können. »Unsere Produkte durchlaufen alle einen definierten und konsequenten Qualifikations- und Testprozess«, betont Silvio Muschter. »Industrieprodukte testen wir intensiv in selbst entwickelten Testumgebungen von -40°C bis +85°C, wobei jedes auszuliefernde Modul den gesamten Temperaturbereich durchläuft. Des Weiteren prüfen wir neue Die-Shrinks oder Firmwareversionen generell auf Schwachstellen. Außerdem durchlaufen diese immer die Kundenapplikation, wenn uns der Kunde diese zur Verfügung stellt.« Um die Industrieanforderungen zu erfüllen, setzt Swissbit zudem entsprechende Materialien ein, zum Beispiel dickere Goldschichten an Stellen, an denen häufig gesteckt werden muss, sowie ein Conformal Coating, um Korrosion zu verhindern. Laut Silvio Muschter lässt sich durch diese Maßnahmen auch weiterhin sicherstellen, dass Flash nicht zur kritischen Systemkomponente wird.