Intelligente NAND Flash-Speicher für smarte Geräte

Die Nachfrage nach NAND-basiertem Flash-Speicher steigt, denn immer mehr Anwendungen in den Bereichen Consumer, Mobilfunk, Automotive, Industrie und Internet der Dinge (IoT) kommen zum Einsatz. Toshiba hat im Jahr 1984 den NAND-Flash-Speicher eingeführt. Seitdem hat sich dieser Markt rasant weiterentwickelt.

Die NAND-Speicherdichte hat seit ihrer Einführung vor über 30 Jahren um mehr als das 2000-fache zugenommen: In diesem Zeitraum wurden die Strukturgrößen durch moderne Halbleiterprozesstechnik von 700nm auf 15nm verkleinert und neue Zellenarchitekturen eingeführt. Hinzu kommt ein erheblicher Preisverfall pro Gbit, der schneller vonstattengeht als die Erhöhung der Speicherdichte. NAND wird somit für zahlreiche Anwendungen das Speichermedium erster Wahl. Während die Kosten pro Bit weiter sinken, ist der Übergang zu neuesten Technologien und Prozessknoten nicht immer ganz einfach: Eine der wesentlichen Herausforderungen beim Einsatz neuester Raw-NAND-Speicher ist die Umsetzung einer leistungsfähigen Fehlerkorrektur (ECC; Error Correction Code), die in Speicher-Controller integriert werden muss. Dabei findet ein ständiges Wettrennen mit der Technologie statt, bei dem häufig auf den passenden Controller gewartet werden muss. Bei Single Level Cell (SLC) NAND bis zu einem 43nm-Prozess ist z.B. nur 1Bit ECC pro 512Byte Speicher erforderlich. Dieser Wert erhöht sich bei einem 24nm SLC NAND auf 8Bit ECC pro 512Byte. Der Übergang von 43nm Raw SLC NAND auf 24nm Raw SLC NAND würde demnach die Leistungsfähigkeit senken, wenn nicht eine fortschrittliche Controller-Technik angewendet wird.

Wear Levelling: Speicherblock-Verschleiß ausgleichen

Wird NAND-Flash mit immer kleineren Prozessknoten hergestellt, werden auch die Zellen immer kleiner, und deren Ausdauer und Zuverlässigkeit kommt mit ins Spiel. Desweiteren gibt es NAND-Zellen, die mehrere Bits speichern können. SLC NAND kann 1 Bit pro Zelle speichern, Multi-Level Cell (MLC) NAND kann 2 Bits pro Zelle speichern, und Triple Level Cell (TLC) NAND speichert 3 Bits pro Zelle. Davon ist jedoch die Schreib-/Lösch-Ausdauer betroffen: SLC unterstützt ca. 60.000 Zyklen, MLC 3.000 und TLC 500 Zyklen, vorausgesetzt der gleiche ECC-Algorithmus wird angewendet. Da NAND-Speicherblöcke verschleißen können, wird jede NAND-Speicherstelle mit einer Obergrenze an Schreibvorgängen bestimmt. Wear-Levelling-Algorithmen müssen ebenfalls in den NAND-Controller integriert werden, um die gleichmäßige Nutzung der Speicherstellen zu garantieren. Bei der Berechnung der System-Lebensdauer über die NAND-Zuverlässigkeit muss beachtet werden, dass die Speichermanagement-Funktionen mehr Schreibvorgänge verursachen, als ursprünglich zu schreibende Bits vorhanden sind. Der Grund: Speichermanagement-Funktionen können auch Datenübertragungen von einem Speicherort auf einen anderen umfassen, was zum mehrfachen Beschreiben von Zellen mit zu speichernden Daten führt. Während das Schreiben oder Programmieren eines NAND seitenweise erfolgt, finden Löschfunktionen blockweise statt; die Blöcke enthalten mehrere Seiten. Um einen Block für das Löschen vorzubereiten, werden die zu behaltenden Daten zuerst in andere Blöcke kopiert. Diese Seitenumbesetzung oder Page Shuffling vor dem Löschen eines Blocks wird Garbage Collection genannt.

Den Controller entlasten

Bei vielen bestehenden Anwendungen, die SLC NAND nutzen – z.B. in der Industrieelektronik, Automobilelektronik und Kommunikationsprozessoren -, ist die 1-Bit-ECC in die Host-Software integriert, ohne die Leistungsfähigkeit merklich zu beeinträchtigen. Der Übergang zu einem aktuellen Speicher, der eine 4-, 8- oder sogar 24-Bit-ECC erfordert, erhöht die Prozessorlast erheblich und verringert somit die Leistungsfähigkeit. Um dies zu verhindern, werden NAND-ICs mit integrierter ECC bevorzugt. Toshibas BENAND (Built-in ECC NAND) ist eine solche Lösung und entlastet den Host-Prozessor um die ECC, ohne einen zusätzlichen Hardware-Controller zu erfordern. Die Lösung nutzt die etablierte NAND-Schnittstelle und ist kompatibel zu Raw SLC NAND Flash bezüglich Befehlssatz, Speicherbetrieb, Gehäuse und Anschlussbelegung. Das Host-System übernimmt das Bad-Block-Management, Wear Levelling, Adresszuordnung und Garbage Collection genauso wie bei Raw SLC NAND. Die Speicher stehen mit Kapazitäten von 1 bis 8Gb in den Standardgehäusen TSOP-I-48-P und 63-Ball-BGA zur Verfügung, die anschlusskompatibel zu den gängigen SLC-Gehäusen sind. Eine kleine 6,5mmx8,0mm 67-Ball-BGA-Version ist ebenfalls erhältlich, um neue Designs mit beengten Platzverhältnissen zu unterstützen. Die kompatiblen Anschlüsse und Gehäuse von Raw SLC NAND und BENAND erlauben einen direkten Austausch beim Aufrüsten auf neueste Flash-Speicher. Toshiba als Hersteller hilft Anwendern dabei, die Speicher in bestehende und neue Designs zu integrieren. Damit lassen sich die Vorteile neuester Flash-Speichertechnik nutzen, ohne teure Systemänderungen durchführen oder weiterhin veraltete Technik einsetzen zu müssen.

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