Flash-Massenspeicher
Für Dauerbelastung ausgelegt
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
NAND-Typen im Überblick
Die Kosten der NAND-Chips machen einen beträchtlichen Teil des Gesamtpreises von SSDs aus. Kostensenkungspotenzial bietet hauptsächlich die Erhöhung der Bitdichte der Chips, auf die sich viele Hersteller in den letzten Jahren fokussiert haben. Seit der NAND-Einführung durch Toshiba im Jahr 1984 haben sich vor allem im Fertigungsverfahren gravierende Veränderungen ergeben: vom 700-nm-Prozess auf Toshibas neue Technologie "Advanced 19 nm (A19nm)". In Kombination mit neuen Speicherzellen-Technologien konnte damit die Bitdichte von NAND um mehr als das 2000-Fache erhöht werden. Diese Steigerung hat zu einer deutlichen Senkung des Preises pro Gigabyte geführt. Künftige Technologien werden zu einer weiteren Preisreduzierung beitragen können, z.B. ein von Toshiba angekündigtes Fertigungsverfahren für 15-nm-Flash-Speicher.
Zur Erhöhung der Bitdichte wurden unterschiedliche NAND-Flash-Speicher entwickelt. Im Wesentlichen sind heute drei Typen von Speicherzellen zu unterscheiden: SLC (Single-Level Cell), MLC (Multi-Level Cell) und TLC (Triple-Level Cell). Sie können jeweils ein, zwei beziehungsweise drei Bits pro Zelle speichern. Je höher die Anzahl der Bits pro Zelle ist, desto geringer sind die Kosten pro GB. Allerdings ist in Abhängigkeit von der Anzahl pro Zelle gespeicherter Bits die Zahl der Lösch- und Schreibprozesse begrenzt (Tabelle).
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Zellentechnik
| Single-Level | Multi-Level Cell | Triple-Level Cell |
|---|---|---|---|
| Bits pro Zelle | 1 | 2 | 3 |
| Löschzyklen (typ.) | 100.000 | 5000 | 1000 |
Typen von NAND-Speicherzellen und ihre typische Lebenserwartung
In Enterprise-SSDs, die für eine hohe Anzahl an Schreib- und Löschzyklen ausgelegt sein müssen, finden sich heute überwiegend SLC- und MLC-NANDs. MLC- und TLC-NANDs finden sich eher in Verbraucher-SSDs, bei denen neben der Lesegeschwindigkeit vor allem der Preis pro Gigabyte der wichtigste kaufentscheidende Faktor ist.
Die unterschiedliche Lebensdauer der Zellen kommt daher, dass NAND-Speicherblocks mit der Zeit verschleißen (Wear-out), das heißt, es gibt eine Begrenzung der Anzahl von Schreibvorgängen pro Speicherzelle. Deshalb wird die Verwendung von sogenannten "Wear-Leveling"-Algorithmen im NAND-Controller erforderlich, mit denen sichergestellt werden kann, dass alle Speicherzellen etwa gleich häufig beschrieben werden. Zur Erhöhung von Performance und Lebensdauer einer SSD kann zudem Over-Provisioning genutzt werden, bei dem ein bestimmter Speicherbereich für das Datenmanagement verwendet wird und dem Benutzer zunächst nicht zur Verfügung steht. Erst wenn Speicherzellen nicht mehr nutzbar sind, werden Reservezellen aus dem Over-Provisioning-Bereich genutzt, um die Lebensdauer zu verlängern. Die Größe dieses Bereichs kann zwischen 6 und 150 Prozent liegen - abhängig vom Anwendungsbereich, für den das Laufwerk entwickelt wurde.
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