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SSD-Trends – 3D-Flash und RRAM

von - 22.01.2014
SSDs werden zwar günstiger, damit aber oft auch langsamer und anfälliger. Neue Techniken wie Rapid-Mode und Turbo-Write, 3D-Flash und RRAM sollen diese Probleme beheben.
SSDs werden zwar günstiger, damit aber oft auch langsamer und anfälliger. Neue Techniken wie Rapid-Mode und Turbo-Write, 3D-Flash und RRAM sollen diese Probleme beheben.
Die ersten SSDs stellte 1995 der israelische Hersteller M-Systems vor. Die Größe dieser Flash-Speicher reichte von 16 bis 896 MByte. Der Preis lag bei mehreren Tausend Dollar. Mittlerweile haben Fortschritte in der Herstellung und die Miniaturisierung der Bauteile die Kosten so weit gedrückt, dass 1 Gigabyte Speicherplatz auf einer SSD weniger als 1 Euro kostet.
Jetzt ist die Flash-Produktion jedoch an einem Scheideweg angelangt: Die einzelnen Chips sind mittlerweile soweit geschrumpft, dass die Vorgänge innerhalb der Speicherzellen an ihr physikalisches Limit stoßen.
Der Artikel zeigt, was derzeit am Markt passiert, wo die Grenzen bei Flash-Speicher liegen und wie die Zukunft aussehen könnte.

Stand der Technik

Im ersten Abschnitt lesen Sie, welche Unterschiede es heute bei Flash-Speicher gibt und wie sich Miniaturisierung und erhöhte Speicherdichte auswirken.

SLC, MLC und TLC

Flash-Speicher besteht aus Zellen. In den Zellen werden die Daten gespeichert. Derzeit gibt es drei verbreitete Zelltypen: Single Level Cell (SLC), Multi Level Cell (MLC) und Triple Level Cell (TLC). Die verwendete Zelltyp wirkt sich auf die Lebensdauer und die Geschwindigkeit aus.
Lebensdauer: Beim Beschreiben einer SSD wird in den Flash-Zellen eine elektrische Spannung gespeichert. Beim Löschen wird die Spannung wieder entfernt. Jeder Schreib-Lösch-Zyklus beschädigt die Isolierschicht der Zelle minimal. Die Folge: Nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen kann der Inhalt der Zelle nicht mehr gelöscht und nicht mehr beschrieben werden – die Zelle ist tot. Die in der Zelle gespeicherten Daten lassen sich aber oft noch auslesen.
Geschwindigkeit: In SLC-Zellen lässt sich 1 Bit speichern, MLC-Zellen nehmen bis zu 2 Bit auf und TLC-Zellen bieten Platz für 3 Bit. Die Bit lassen sichaber nicht alle gleichzeitig schreiben. Stattdessen werden mehrere Spannungen nacheinander angelegt und gespeichert. Das kostet Zeit.
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SSD — Solid State Drive

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Bei MLC-Zellen werden bis zu vier Spannungen gespeichert. Noch komplexer sind TLC-Zellen, die bis zu acht unterschiedliche Spannungen enthalten. SLC-Zellen lassen sich schneller beschreiben und auslesen, da nur eine Spannung anliegt.
Die Unterschiede der Spannungen innerhalb einer Zelle sind sehr gering. Deshalb ist es schwierig, diese Spannungen – und damit die Daten – korrekt zu schreiben und zu lesen.
Deswegen kommen komplexe Schaltungen und eine Fehlerkorrektur zum Einsatz. Sie garantieren, dass die Daten richtig ausgelesen werden. Das braucht ebenfalls Zeit und verringert die Geschwindigkeit (siehe Tabelle „Datendichte: Je höher, desto weniger Leistung“).

Hohe Datendichte, geringer Preis

Der größte Vorteil der MLC- und TLC-Technik ist die hohe Datendichte. Pro Zelle können mehr Daten gespeichert werden als bei SLC. Dadurch lassen sich die Herstellungskosten für die SSDs zum Teil deutlich senken.
So kostet 1 GByte einer SSD mit SLC-Speicher rund 8 Euro. Bei SSDs mit MLC liegt der Preis pro GByte bei ungefähr 1 Euro und bei SSDs mit TLC-Flash sinkt der Preis nochmals deutlich auf rund 60 Cent pro GByte.

Miniaturisierung senkt Lebensdauer

Wie erwähnt hat eine Flash-Zelle, die mehr als 1 Bit speichert, wegen der unterschiedlichen Spannungszustände eine kürzere Lebensdauer.
Auch die fortschreitende Miniaturisierung wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der Flash-Zellen aus. Denn durch die Verkleinerung der Strukturen wird die Isolierschicht, die die Spannung in der Zelle hält, dünner. Die Beschädigungen, die durch das Schreiben und Löschen der Zelle eintreten, fallen so deutlich mehr ins Gewicht.
Mittlerweile fertigen die Hersteller die Flash-Zellen in 20-Nanometer-Größe. Eine TLC-Zelle, die mit einem Fertigungsprozess von 50 nm hergestellt wurde, hält rund 2500 Schreib-Lösch-Zyklen aus. Wird hingegen ein Fertigungsprozess von 30 nm verwendet, dann halbiert sich die Lebensdauer auf 1250 Schreib-Lösch-Zyklen und sinkt bei 20 nm sogar auf 1000 ab.
Was dramatisch klingt, ist in Wirklichkeit aber gar nicht so schlimm. Im Abschnitt „So geht’s: Lebensdauer einer SSD berechnen“ können Sie sehen, dass selbst bei nur 1000 möglichen Schreib-Lösch-Zyklen eine SSD bei normaler Nutzung immer noch 13 Jahre hält.
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