iSLC – Der Kompromiss im Industriemarkt für High-End-SSDs

Zusammenfassung

iSLC ist eine NAND-Flash-Technologie, mit der das Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung optimiert werden soll. Die Firmware-Technologie basiert auf dem MLC-NAND-Flash (Multi Level Cell). iSLC NAND-Flash Zellen speichern ein Bit pro Zelle anstelle von Zwei und ahmen so Single-Level-Zellen (SLC) effektiv nach.

iSLC ist ein Hybrid aus MLC- und SLC-Technologie, bei dem die Leistung näher an SLC liegt und die Lebensdauer erheblich höher ist als bei MLC. Der Preis liegt ungefähr zwischen MLC- und SLC Produkten.
Die Programm-/Löschzyklusgrenze (P/E) für iSLC liegt bei etwa 20.000, während MLC bei 3.000 liegt. SLC erreicht Werte zwischen 60.000 und 100.000. Dauertests zeigen, dass iSLC-Solid-State-Laufwerke (SSD) die angegebenen P/E-Zyklusbeschränkungen ohne Datenverlust oder Datenfehler bei weitem übertreffen.

Ein Testvergleich zwischen einem iSLC und einem MLC Gerät zeigte einen signifikanten Unterschied in der Anzahl der ECC-Bits (iSLC 15, MLC 40). Schreibleistungstests zeigen, dass iSLC etwa 10% langsamer als SLC und etwa doppelt so schnell wie MLC ist.

Einführung

Für Systemintegratoren kann die Auswahl der optimalen Speicherlösung schwierig sein. MLC-Produkte liefern nicht die gewünschte Leistung und Langlebigkeit, und die Kosten für SLC können die Vorteile bei weitem relativieren. iSLC richtet sich an das Segment zwischen dem High-End- und geschäftskritischen SLC-Markt und dem Low-End MLC-Markt.Die iSLC-Technologie ist eine Flash-Lösung, die die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von MLC NAND-Flash erhöht. Die Zellen werden durch das Screening und Programmieren der SSD-Firmware verbessert, wodurch der MLC-NAND-Flash SLC nachahmen kann. In diesem Artikel soll der Unterschied zwischen diesen NAND-Flash-Technologien und die Frage erläutert werden, wie iSLC als Lösung in den breiteren Rahmen der Embedded- und anderer High-End-Branchen passt.

Hintergrund

Mit fortschreitender Technologie können Hersteller mehr Bits und damit mehr Informationen in jeder NAND-Flash-Zelle speichern. Die aktuell gängige NAND-Technologie nutzt drei Bits pro Zelle (Tri-Level-Zellen, TLC) und bereits in der Entwicklung sind vier Bits pro Zelle (Quad-Level-Zellen, QLC). Dieser Trend wird zu einer weiteren Senkung der Kosten und einer Erhöhung der Kapazität führen, da die Zellen noch enger zusammengestapelt werden. Der Nachteil ist jedoch eine drastisch geringere Anzahl von Programmier-/Löschzyklen (P/E cycles), d.h. die Häufigkeit, mit der das Speichermedium vollständig mit Daten beschrieben und dann gelöscht werden kann, bevor es schließlich ausfällt. Dies liegt an dem grundlegenden Problem, dem sich keine SSD entziehen kann: Dem Zellabbau.
Wenn die Daten in einer Zelle gelöscht werden, werden sie mit einer relativ starken elektrischen Ladung getroffen. Dieser Prozess schädigt das Substrat der Zelle geringfügig. Diese winzigen Beeinträchtigungen sammeln sich schrittweise an und führen letztendlich zum Ausfall. Ein weiteres grundlegendes Problem sind Fehlerbits. Diese treten auf, wenn übertragene Daten durch die Umgebung auf elektrische oder magnetische Störungen stoßen und ein oder mehrere Bits kippen (1 auf 0 oder umgekehrt). Wenn die Bits pro Zelle zunehmen und die Zellengröße zunimmt, steigt auch das Risiko für Fehlerbits. Obwohl diese Fehlerbits durch implementierten Fehlerkorrekturcode (ECC) behoben werden, wirken sie sich dennoch auf die Leistung aus. Eine niedrigere Fehlerbitrate bedeutet natürlich eine bessere Leistung bei Solid State Drives. Dies ist jedoch immer noch eine gute Nachricht für den normalen Benutzer, da Laufwerke ohne bewegliche Teile erschwinglicher werden und die Lebensdauer für den täglichen Gebrauch immer noch mehr als ausreichend ist. Auf der anderen Seite weisen Unternehmens- und Industrieanwendungen viel höhere P/E-Zykluszahlen auf und stellen strengere Leistungsanforderungen, was wiederum dazu führen kann, dass MLC und andere Technologien mit höheren Bits pro Zelle nicht mehr verwendet werden können.

SLC vs. MLC

Der Hauptunterschied zwischen SLC und MLC ist die Anzahl der in jeder NAND-Zelle gespeicherten Bits. SLC speichert 1 Bit Daten pro Zelle, während MLC 2 Bits pro NAND-Zelle speichert. Dies ermöglicht es SLC, fehlertoleranter als MLC zu sein und gleichzeitig mehr Schreibzyklen pro Zelle zu unterstützen. SLC-Flash bietet eine längere Lebensdauer und ist die perfekte Wahl für High-End-Anwendungen. Weitere wichtige Unterschiede zwischen SLC und MLC sind Lese-, Schreib- und Löschzeiten, P / E-Zyklen und die Behandlung von Fehlerbits.

Wie in dieser Tabelle angegeben, weist SLC nicht nur eine bessere Geschwindigkeit, sondern auch eine niedrigere Rohbitfehlerrate (RBER) auf. Dies ist definiert als die Anzahl der falsch geschriebenen Bits.

Beispiel: Wenn die Eingabesequenz 01 01 01 01 als 01 11 11 01 geschrieben ist, sind zwei Fehlerbits aufgetreten. In Bezug auf RBER gibt es zwei Fehlerbits in einer Folge von acht Eingabebits, was einer Rate von 0,25 oder 25% entspricht.

SLC NAND Flash ist zuverlässiger und langlebiger als MLC und die ideale Lösung für Industrie- und Unternehmensanwendungen. Aufgrund seiner Erschwinglichkeit ist MLC-Flash jedoch immer noch eine sehr funktionale Wahl, allerdings auf Kosten von Leistung und Ausdauer.

Die Popularität von MLC wird hauptsächlich vom Preis bestimmt. Dies hat MLC NAND-Hersteller dazu veranlasst, Geräte mit größerer Kapazität zu einem besseren Kosteneffizienzverhältnis zu entwickeln. Der Kompromiss ist eine Abnahme der Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Da die NAND-Flash-Technologie von 3Xnm auf 1Xnm schrumpft, benötigen Hersteller höhere ECC-Fähigkeiten, um die Abnahme der Zuverlässigkeit und Lebensdauer auszugleichen.

Kosten-Leistungs-Optimierung mit iSLC

Viele Anwendungen werden zwischen diesen beiden Flash-Typen liegen, bei denen Leistungs- und Ausdaueranforderungen MLC-Alternativen ausschließen. In diesem Fall muss der Systemintegrator auf die teurere SLC-Option zurückgreifen.

Es ist ideal, wenn die iSLC-Leistung der von SLC-Flash entspricht, während der Kostenbereich nahe an MLC-Flash liegt. Ein Beispiel für die Steigerung der Lebensdauer ist in Abbildung 2 dargestellt. Wird eine 32GB SSD am Tag 10mal vollständig beschrieben, so liegt die Lebensdauer für iSLC bei über 5,5 Jahre. Somit 7mal länger als MLC, deren Betriebszeit bis zum Ausfall bei knapp unter einem Jahr liegt.

iSLC verwendet eine eigens entwickelte Firmware, um den MLC-Flash wie eine SLC-Zelle zu nutzen. Jede SLC-Zelle enthält ein Bit -1 oder 0 -, während MLC zwei Bits enthält -00, 01, 10 oder 11. iSLC ahmt SLC nach, indem nur 1 Bit in jeder NAND-Zelle gespeichert wird. Diese Firmware-Optimierung ermöglicht es dem Flash im Wesentlichen, eine Leistung nahe der des SLC-Flashs zu erzielen. Dies erhöht auch die Ausdauer und Datenspeicherung des MLC NAND-Flashs.

Daten testen

Die durchschnittliche Lebensdauer bei iSLC-Flash übersteigt 20.000 P/E-Zyklen und ist somit erheblich länger im Vergleich zur Lebensdauer von MLC-Flash. Tabelle 2 zeigt einen Non-Stop-Test mit gemessenen Variablen, wobei beide Geräte die 20.000 Zyklen Grenze weit überschreiten. Somit sind keine Fehler aufgetreten (Datenverlust, Datenfehler).

Unsere Tests zeigen eine geringere Anzahl von Fehlerbits für iSLC im Vergleich zu MLC. Beim Vergleich der Technologie von iSLC und MLC erreichte der 1xnm iSLC-Flash 20.000 P/E-Zyklen mit 24 Fehlerbits, während der 1xnm MLC-Flash nur 3.000 P/E-Zyklen mit 40 Fehlerbits standhielt.
Tabelle 3 zeigt den Vergleich der ECC-Bits zwischen iSLC und MLC.

Die Schreibleistung für iSLC NAND-Flash ist ungefähr 10% langsamer als für SLC NAND-Flash, während MLC NAND-Flash ungefähr 50% langsamer als SLC NAND-Flash ist. Dies ist ein deutlicher Leistungssprung gegenüber typischen MLC-Lösungen.

Fazit

Die Vorteile von iSLC lassen sich daher wie folgt zusammenfassen:

  • Verlängerte Lebensdauer und Zuverlässigkeit im Vergleich zu MLC
  • Leistung ähnlich wie bei SLC
  • Preis ungefähr halb so hoch wie bei SLC

iSLC bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Erschwinglichkeit und Leistung. Mit der erhöhten Anzahl von P/E-Zyklen wird die Produktlebensdauer auf das Siebenfache ähnlicher MLC-Geräte erhöht, während die Leistung das Niveau von SLC Flash erreicht. All diese Faktoren machen iSLC zur idealen Speicherlösung für den High-End-Industrie- und Embedded-Markt, in dem budgetfreundliche Alternativen attraktiver sind.