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Industrielle Flash-Speicher: Pseudo-SLC

Pseudo-SLC: Wie funktioniert’s?

Bei der pSLC-Technologie (Pseudo Single Level Cell) wird nur ein Bit pro MLC-NAND-Zelle anstelle von zwei Bits gespeichert. Dadurch wird die Lebensdauer der NAND-Zelle verlängert. Warum ist das nur die halbe Wahrheit?

Cactus Technologies bietet ein breites Portfolio industrieller Flash-Speicher. Dazu gehören SLC-, pSLC- und MLC-Speicher in allen gängigen Formfaktoren wie SD und microSD Card, Compact Flash, CFast, 2.5? Disk oder m.2. (Bild: Syslogic GmbH)

 

Um die pSLC-Technologie (Pseudo Single Level Cell) zu erklären, ist es wichtig, die Funktionsweise eines NAND-Flash-Speichers zu kennen. NAND-Zellen funktionieren mittels eines Transistorkanals (Source-Drain) und zwei Gates, einem Control Gate und einem Floating Gate. Das Floating Gate ist mittels einer Oxidschicht von Control Gate und Transistorkanal isoliert. Werden mittels Speicherspannung Elektronen durch die Oxidschicht hindurch in das Floating Gate gedrückt (Tunneleffekt), werden sie dort permanent gehalten, auch ohne Spannung. Zum Auslesen der Speicherzelle wird eine Lesespannung an den Transistor gelegt und der Strom, der zwischen Source und Drain fließt, gemessen. Ist das Floating Gate geladen, es befinden sich also viele Elektronen im Floating Gate, wird der Zustand Null ausgelesen. Das, weil kein Strom zwischen Source und Drain fließt. Mittels Löschspannung können die Elektronen wieder freigesetzt werden. Befinden sich also wenig Elektronen im Floating Gate, wird der Zustand Eins ausgelesen, weil Strom zwischen Source und Drain fließt. Alle NAND-Zellen nützen sich mit der Zeit ab und die Oxidschicht zersetzt sich. Je dicker die Oxidschicht ist, desto langsamer schreitet dieser Prozess voran. Entsprechend sind NAND-Speicher mit großen Shrinks langlebiger als solche mit kleinen. Die Zeit, in der eine einmal eingespeicherte Information fehlerfrei bleibt, heißt Retention. Eine hohe Retention erreichen also NAND-Zellen mit einer dicken Oxidschicht.

Funktionsweise von SLC- und MLC-NAND

SLC-Speicher kennen nur zwei Ladungszustände, fast keine oder sehr viele Elektronen im Floating Gate. Bei MLC-Speichern werden mit unterschiedlichen Spannungsniveaus vier verschiedene Ladungszustände pro Zelle gespeichert, das entspricht zwei Bits. SLC-NAND mit Abnutzungserscheinungen sind wesentlich länger auslesbar als MLC-NAND mit Abnutzungserscheinungen. Bei nur zwei Ladungszuständen fällt die Zuordnung leicht, selbst wenn der Ladungszustand nicht mehr so deutlich ausfällt wie bei einer neuwertigen Zelle. Bei vier Ladungszuständen (MLC NAND) ist die Zuordnung im Vergleich wesentlich schwieriger. Bereits kleine Abnutzungserscheinungen reichen und die Ladungszustände können nicht mehr zugeordnet werden. Entsprechend lassen SLC-Speicher eine vielfach höhere Anzahl an Schreib- und Lesezyklen pro Flash-Zelle zu als MLC-Speicher. Zudem sind SLC-Speicher durch die klaren Spannungsunterschiede wesentlich schneller als MLC-Speicher.

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