MSC: Flash-Speicher für das IIoT »Einfache Systemintegration zur schnelleren Markteinführung«

Sandisks eMMC-Flash-
Speicherprodukte iNAND 
gibt es mit Speicherkapazitäten 
von 4 bis 64 GByte.
Sandisks eMMC-Flash- Speicherprodukte iNAND gibt es mit Speicherkapazitäten von 4 bis 64 GByte.

Mit der steigenden Komplexität von Embedded-Systemen gewinnen intelligente Flash-Speicher in Form von µSD-/SD-Karten und eMMC an Bedeutung. Die steck- bzw. lötbaren Flash-Speicher bieten MSC-Manager Robert Herth zufolge »standardmäßig ein ausgefeiltes Speicher-Management und unterstützen eine einfache Systemintegration zur schnelleren Markteinführung des Endprodukts«.

So hat etwa der von MSC vertretene Flash-Spezialist Sandisk die embedded-Flash-Devices »Industrial iNAND« vorgestellt, die sich durch eine »hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit auszeichnen«, versichert Herth, Business Development Manager bei MSC Technologies. Die immens wachsende Leistungsfähigkeit der Rechner und die weitreichende Vernetzung aller Geräte und Sensoren im Umfeld des Industrial Internet of Things (IIoT) erzeugt eine riesige Menge an Daten. In vielfältigen Anwendungen müssen umfangreiche Messdaten, hochauflösende Bilder und Videosequenzen intelligent und äußerst zuverlässig gespeichert werden. Deshalb werden heutzutage in robusten Industrierechnern, kompakten Embedded-Systemen und tragbaren Handheld-PCs innovative Flash-Technologien in Form von mSD-/SD-Karten und eMMC eingesetzt. »Diese Speicher vereinfachen das immer komplexer werdende Speicher-Management«, erläutert der MSC-Manager.


Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer


Die typischen Märkte für die Industrieprodukte reichen von der Automatisierungstechnik und Robotik über Geräte für die Medizin- und Messtechnik bis hin zu Transportation, Überwachungsanlagen und POI-/POS-Systemen. Bei Flash-Speichern, die hier eingesetzt werden, stehen Aspekte wie Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer im Vordergrund. Ein weiteres Kriterium, das bei der Auswahl des passenden Moduls eine Rolle spielt, ist der Betriebstemperaturbereich, der sich von -25 bis +85 °C oder gar von -40 bis +85 °C erstrecken kann. Weil auch signifikante Temperaturschwankungen in der Anwendung das Verhalten eines Flash-Speichers beeinflussen, sind diese ebenfalls zu berücksichtigen. Um diese vielfältigen Anforderungen zu erfüllen, hat Sandisk als global agierender Pionier im Bereich der Flash-Speicher seine Produktpalette an µSD-/SD-Karten und eMMCs (embedded Multi Media Cards) um die embedded-Flash-Speicher Industrial iNAND erweitert. »Diese zeichnen sich durch hohe Leistung, Zuverlässigkeit und vor allem Langlebigkeit aus – auch bei hohen Temperaturunterschieden«, betont Herth.

Erhältlich sind die Industrial-Solutions-Speicher von Sandisk mit 4 bis 64 GByte. Für eine hohe Flexibilität, um schnell große Mengen an Daten zu laden, sorgen die austauschbaren µSD- und SD-Karten. Neben dem eigentlichen Flash-Speicher beinhalten die Karten und eMMCs einen zusätzlichen Controller-Cache. Die erweiterte Flash-Management-Firmware beinhaltet Funktionen wie ECC, Wear Leveling, Bad Block Management und ein optimiertes Power Management. Damit lassen sich datenintensive Anwendungen so optimieren, dass sich mit den Flash-Produkten eine lange Lebensdauer (Endurance) realisieren lässt.
»Der ECC-Algorithmus wird von Produktgeneration zu Produktgeneration immer aufwändiger und komplexer«, sagt der MSC-Manager. Vom ECC-Algorithmus (Error Correction Code) werden Bit-Fehler erkannt und korrigiert, wodurch die maximale Anzahl der Schreib- und Löschzyklen unmittelbar beeinflusst wird. Ein Maß für das korrekte Lesen des Controllers ist die Bit Error Rate (BER, Bitfehlerhäufigkeit): Nähert sich ein Flash-Block dem Ende seiner Lebensdauer, so steigt die Wahrscheinlichkeit eines Bit-Fehlers. Eine intelligente ECC-Funktion setzt eine Zelle nicht einfach bei Erreichen der typischen W/E-Zyklen (write/erase) auf bad, sondern ermittelt durch die Fehlerhäufigkeit, wie lange die Zelle noch good ist. Erst dann wird diese durch eine neue Zelle (Spare blocks) ersetzt oder endgültig auf bad gesetzt und ist somit beim nächsten Schreiben nicht mehr aktiv. Auch dadurch lässt sich die Lebensdauer des Speichers verlängern. Um welche Zeitspanne der Einsatz ausgedehnt werden könne, hänge vor allem von der Anwendung, der Arbeitstemperatur und von der Qualität der Flash-Zellen ab.
Wear Leveling, das sicherstellt, dass die geschrieben Daten intelligent verteilt werden, bietet eine weitere Möglichkeit, die Lebensdauer der Speicher zusätzlich signifikant zu verlängern. »Das Ziel ist, die gleichmäßige Abnutzung der Flash-Zellen zu erreichen«, erläutert Herth. Bei statischem Wear Leveling lässt sich durch automatisches Umlagern der Daten auf wenig benutzte Flash-Blöcke die Abnutzung der Flash-Zellen über die gesamte Kapazität reduzieren. Dynamisches Wear Leveling (DWL) sorgt durch einen intelligenten Algorithmus dafür, dass die Flash-Zellen gleichmäßig abgenutzt werden. Bei einer neuen Flash-Karte bzw. eMMC sei dieser Vorgang noch relativ einfach, sobald aber die Flash-Zellen alle beschrieben sind, werde es sehr komplex. DWL fängt dann richtig an zu arbeiten und muss die gesamten Flash-Kapazität im Auge haben und beherrschen. Dafür sammelt eine »Data Buffering«-Funktion Daten in einem Cache, um sie dann zur Erhöhung der Performance in einem einzigen Vorgang zu schreiben.
Sandisk setzt mit der nCache-Technologie auf eine neue Vorgehensweise: Anstelle eines DRAM-Caches wird SLC-Flash (Single Level Cell) als Cache verwendet und mit MLC-Flash (Multi Level Cell) kombiniert.

SLC-Flash mit MLC-Flash kombiniert

»Durch die Kombination der SLC- und MLC-Flash-Blöcke lässt sich die Beständigkeit, Effizienz und Leistung der Flash-Karten bzw. eMMC deutlich steigern«, versichert Herth. Einer der entscheidenden Vorteile sei zudem die Optimierung der internen Schreibzyklen (WAF, Write Amplification-Faktor), reduziert doch jeder Schreib-Löschbefehl die Lebensdauer der Flash-Zellen: Bedingt durch die NAND-Struktur bzw. den Aufbau der Flash-Zelle, können diese zwar zellenweise beschrieben, aber nur blockweise gelöscht werden.
Das kann bedeuten, dass intern eine kleine Datenmenge mehrfach umgelagert und geschrieben werden muss. Bei der nCache-Technologie fasst der Controller mehrere Daten in Paketen optimiert im SLC-Cache zusammen, bevor diese letztlich ins MLC-Flash geschrieben werden. Bei einem neuen Schreibvorgang müssen nicht notwendigerweise die bisherigen Flash-Zellen genutzt werden, der »Wear Leveling«-Algorithmus kann auch bestimmte, andere Zellen auswählen. »Ideal wäre ein WAF von 1, was in der Praxis jedoch kaum zu realisieren ist«, sagt der MSC-Manager. Last but not least umfasst die Flash-Firmware das Management von Bad und Spare Blocks: Ist eine Flash-Zelle abgenutzt oder defekt, wird diese vom Bad Block Management mit einem Flag gekennzeichnet und durch eine Zelle aus einem Reserveblock für die Datenspeicherung ersetzt. Neben ECC und Wear Leveling steigert somit auch das Bad Block Management die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Speicher.