NAND basierte Speicher für die Industrie: Die richtige Wahl treffen

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NAND basierte Speicher für die Industrie: Die richtige Wahl treffen

Cactus Technologies bietet NAND basierte Speicher ausschließlich für die Industrie. Das Unternehmen unterscheidet drei Speicherkategorien – Commercial Grade, OEM Grade und Industrial Grade. Welche Kategorie eignet sich für welche Anwendung?

NAND basierte Speichermedien setzen ihren Siegeszug seit Jahren fort. Sie sind im Gegensatz zu Harddisks unempfindlich gegen Schock und Vibration, weil sie statisch, also ohne bewegliche Teile, funktionieren. Die Kehrseite der NAND-Technologie ist eine beschränkte Anzahl Schreib- und Löschzyklen. Entsprechend lohnt es sich, die Evaluation von NAND basierten Speichern nicht auf die leichte Schulter zu nehmen.

 

Consumer-Markt gibt den Takt vor
Der Markt für NAND basierte Speicher wird klar vom Consumer-Markt getrieben. Geräte von Smartphones über Kameras bis zu Notebooks verfügen heute über NAND basierte Speicher, oft als Flash-Speicher bezeichnet. Entsprechend machen Speicher für industrielle Anwendungen nur einen verschwindend kleinen Anteil des Gesamtmarktes aus. Das wiederum macht es schwierig, für industrielle Anwendungen Speicher zu finden, welche die hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Robustheit erfüllen. Bei NAND basierten Speichern werden folgende Kategorien unterschieden.

 

Consumer Grade – hohe Speicherdichte bei tiefem Preis
Consumer Grade Flash-Speicher werden hauptsächlich in der Unterhaltenselektronik eingesetzt. Sie machen, wie eingangs erwähnt, den größten Teil des Marktes für NAND basierte Speichermedien aus. Consumer Grade Flash-Speicher bieten hohe Speicherkapazität bei einem geringen Preis. Um das zu erfüllen, werden die günstigsten verfügbaren NAND-Bausteine eingesetzt. Aktuell sind das TLC-NAND (Tripple Level Cell). Diese lassen eine sehr hohe Speicherdichte zu.

 

Die hohe Speicherdichte fordert ihren Tribut. Die Lebensdauer der Speichermedien (Endurance) und der gespeicherten Daten (Retention) werden dadurch negativ beeinflusst. Entsprechend werden TLC-Speicher in der Industrie kaum eingesetzt – zu kurzlebig und fehleranfällig sind sie. Die Folgekosten bei Feldausfällen machen die günstigen Anschaffungskosten von Consumer-Grade-Speichern innert Kürze zu Nichte.

Cactus Technologies als reiner Industrieanbieter bietet konsequenterweise keine Consumer-Grade-Speicher an. Das Unternehmen fängt in puncto Langlebigkeit und Robustheit dort an, wo andere Hersteller aufhören.

 

Commercial Grade – Der Einstieg in die Industriesparte
Die Cactus Technologies Commercial Grade Flash-Speicher sind im Gegensatz zu Consumer Grade Speichern für industrielle Anwendungen ausgelegt. Sie verfügen über MLC-NAND (Multi Level Cell) anstelle von TLC-NAND. MLC-NAND unterscheiden nur zwei anstelle von drei Bits. Entsprechend müssen nur vier anstatt acht Ladungszustände unterschieden werden. Darum sind MLC-NAND länger auslesbar als TLC-NAND, was für eine wesentlich längere Lebensdauer sorgt.

 

Ein wichtiges Kriterium bei der Evaluation industrieller Speichermedien ist die Fixed BOM (Bill of Material). Consumer Grade Speicher können sich von Produktionslos zu Produktionslos unterscheiden, sowohl was die NAND-Bausteine als auch den Controller anbelangt. Wird der Tausch eines Speichers notwendig, kann das für Kompatibilitätsprobleme sorgen. Gerade in der Industrie verursacht das erhebliche Folgekosten. Entsprechend bietet Cactus Technologies für seine Commercial Grade Speicher eine Fixed BOM. Damit stellt Cactus sicher, dass die Speicher über mindestens zwei Jahre, meist bedeutend länger, absolut identisch sind. Die Kompatibilität ist damit gewährleistet – auch, wenn ein Byte-to-Byte-Image erstellt wird.

 

Das eigentliche Herzstück eines NAND basierten Speichers sind neben der NANDs der Controller und die Firmware. Mittels ausgeklügelter Controller und Firmware gelingt es Cactus Technologies, die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Speicher positiv zu beeinflussen. Den technologisch beschränkten Schreib- und Löschzyklen und der Verblassung der gespeicherten Daten wirkt Cactus mit cleveren Controller-Funktionen wie Wear Leveling entgegen. Dadurch werden NAND basierte Speicher fit für die Industrie gemacht.

 

Ein weiterer wichtiger Punkt ist das Testing. Industriehersteller wie Cactus Technologies unterziehen ihre Speicher vor der Auslieferung einem ausführlichen Hersteller-Funktionstest. Damit werden frühzeitige Feldausfälle erfolgreich vermieden.

 

Industrial Grade – unangefochtene Langzeitqualitäten
Die Industrial Grade Speicher von Cactus Technologies lassen nochmals bedeutend mehr Schreib- und Löschzyklen zu als die Commercial Grade Speicher. Wie die Commercial Grade Speicher punkten die Industrial Grade Speicher mit cleveren Controllerfunktionen und einer Fixed BOM. Durch die hochwertigen SLC-NAND sind die Industrial Grade Speicher aber deutlich langlebiger.

 

SLC NAND unterscheiden nur zwei Ladungszustände, daher ein Bit pro NAND. Dies erhöht die Lebensdauer der Speicher massiv (Bis zu 30 mal mehr Schreib- und Löschzugriffe als MLC NAND). Cactus verwendet zudem die größten verfügbaren Shrinks. Dadurch verfügen die Speicher über eine verhältnismäßig dicke Oxidschicht, dank der die NAND-Zellen weniger schnell altern als bei kleinen Shrinks.

 

Die SLC-Speicher von Cactus Technologies gehören zu den langlebigsten NAND basierten Speichern auf dem Markt. Entsprechend werden sie überall dort eingesetzt, wo die Anforderungen besonders hoch sind. Sei es in der Medizintechnik, in der Bahn- und Verkehrsbranche oder in anspruchsvollen Industrieanwendungen.

 

Auch betreffend extremer Temperaturen sind SLC NAND bedeutend weniger empfindlich als MLC NAND. Cactus verwendet speziell für den erweiterten Temperaturbereich (–45 bis +90 Grad Celsius) entwickelte SLC-NAND. MLC-NAND für diesen Temperaturbereich gibt es zwar auch, doch werden diese nur gescreent.

 

Ein weiterer Vorteil von SLC-Flash-Speichern sind wesentlich längere Produktlebenszyklen gegenüber MLC- oder TLC-Speichern. Cactus bietet mindestens acht Jahre Life Cycle Management. Bestes Beispiel für die lange Verfügbarkeit ist die Cactus 203 Series, die seit 2005 fast unverändert angeboten wird.

 

OEM Grade (Original Equipment Manufacturer) – das Beste, was man aus MLC machen kann
SLC basierte Speicher sind in puncto Schreib- und Löschzyklen ungeschlagen. Sie erreichen bis zu dreißig mal mehr Schreib- und Löschzyklen als MLC basierte Speicher. Dies hat gerade bei großen Speicherkapazitäten seinen Preis.

 

Ein Kompromiss zwischen den hochpreisigen SLC-Speichern und den MLC-Speichern sind sogenannte pSLC-Speicher. Die Abkürzung steht für Pseudo Single Level Cell – Cactus Technologies vertreibt pSLC-Speicher in der Produktfamilie OEM Grade.

 

Die pSLC-Technologie baut auf MLC-NAND (Multi Level Cell) auf, die NAND-Zellen werden jedoch wie ein SLC-Speicher betrieben. Anstelle von zwei Bits wie bei MLC üblich wird nur ein Bit pro NAND-Zelle gespeichert. Zudem sind die Unterschiede zwischen den Spannungsniveaus wesentlich größer als bei herkömmlich betriebenen MLC-NAND. Dadurch erreichen pSLC-Speicher sechsmal mehr Schreib- und Löschzyklen als herkömmliche MLC-Speicher. Gerade bei großen Speicherkapazitäten bieten die pSLC-Speicher ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis.

 

Welche Anwendung verlangt welche Flash-Technologie?
Wir empfehlen für alle Anwendungen, bei denen eine lange Lebensdauer wichtig ist und bei denen die benötigte Speicherkapazität 16 GB nicht übersteigt, in SLC-Speicher (Industrial Grade) zu investieren. Auch bei hoher thermischer Belastung lohnt sich die Investition in SLC-Speicher, da diese unter extremen Temperaturen wesentlich zuverlässiger funktionieren als MLC-Speicher.

 

Bei Industrieanwendungen mit großem Speicherbedarf, die trotzdem hohe Anforderungen an die Lebensdauer und Funktionssicherheit stellen, können pSLC-Speicher (OEM Grade) eine attraktive Alternative sein. Dass pSLC-Speicher allerdings an SLC-Speicher heranreichen, ist ein Irrglaube. Echte SLC-Speicher haben eine bis zu fünfmal höhere Lebensdauer (Endurance) als pSLC-Speicher.

 

MLC-Speicher (Commercial Grade) waren in der Industrie lange verpönt. Mittlerweile gibt es aber Speicherhersteller, die mit cleverer Firmware die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von MLC-Flash-Speichern verlängern. Gleichwohl erreichen MLC-NAND bis zu dreißigmal weniger Schreib- und Löschzugriffe als SLC-Speicher. Entsprechend empfehlen wir MLC-Speicher nur für Anwendungen, bei denen entweder die Langlebigkeit nicht zentral ist, bei denen sehr große Speicherkapazitäten benötigt werden oder bei denen sich die Schreib- und Löschzugriffe in Grenzen halten.

 

Wenn man sich für MLC-Speicher entscheidet, lohnt es sich, auf einen Hersteller mit Industrieerfahrung zurückzugreifen. Die Unterschiede zwischen MLC-Speichern können je nach NAND Shrink, Controller und Firmware massiv sein. Zudem lässt sich die Haltbarkeit von MLC-Speichern verlängern, indem man große Speicherkapazitäten einsetzt. Dadurch werden die Schreib- und Löschzugriffe auf mehr NAND-Zellen verteilt.

 

TLC- oder neue 3D-NAND-Speicher (Consumer Grade) sind für industrielle Anwendungen in der Regel ungeeignet. Die sehr hohe Speicherdichte geht nach heutigem Technologiestand zu Lasten der Langlebigkeit und Zuverlässigkeit.

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