Technologie w pamięciach NAND Flash do zastosowań przemysłowych i komercyjnych

Karty pamięci typu Flash oraz dyski SSD są powszechnie wykorzystywane nie tylko w komputerach i urządzeniach przemysłowych, ale także w urządzeniach komercyjnych, m.in. telefonach komórkowych, fotografii cyfrowej, multimedialnych urządzeniach audio-wideo, komputerach osobistych i innych. Tak różne zastosowania powodują, że wymagania stawiane tym urządzeniom w zależności od aplikacji (przemysłowa czy komercyjna) bardzo się różnią. W artykule zaprezentowano główne cechy technologii SLC, MLC, TLC i najnowszej aMLC, które mogą rozwiać większość wątpliwości związanych z doborem odpowiednich parametrów w zależności od zastosowania.

Tematyka problemu:

  • Jaką technologię pamięci Flash należy dobrać do dysków SSD lub kart flash, abe zastosować je w warunkach przemysłowych?

Wsparcie CSI:

Na rynku kart flash i dysków SSD w obecnej chwili znajdują się cztery główne technologie pamięci flash. Są to SLCMLCTLC i aMLC.

Pełne zestawienie głównych parametrów je rozróżniających najlepiej obrazuje poniższa tabela: 

Product SLC ATP aMLC MLC TLC
NAND P/E Cycle Rating ≥70 K (2xnm) ≥40 K*1 (2xnm) 3 K (2xnm) 0.5 K~3 K (2xnm)
ECC Requirement  8 bits/540 B >20 bits/1 B * 40 bits/1 KB ~70 bits/1 KB
Data Retention 5~10 years

2.7 K P/E cycles @ 55°C

5~10 years *

2.7 K P/E cycles @ 55°C

1 year

2.7 K P/E cycles @ 55°C

6 months

1 K P/E cycles @ 25°C

Performance Seq./Ran. Write * x2.3 / x1.5 x2 / x1.3  x1 / x1  x0.3 / x0.3

* Based on ATP NAND Flash IC Test Reliability Note

W przypadku komputerów dla aplikacji przemysłowych najistotniejszymi parametrami cechującymi dysk SSD lub kartę Flash są:

  • bardzo dobre parametry środowiskowe (rozszerzony zakres temperatur pracy -40/+85C)
  • duża prędkość zapisu zarówno dla małych (512B – 4kB) jak i dużych plików
  • odporność na wszelkiego typu zakłócenia (zwłaszcza wahania i zaniki napięcia)
  • bardzo duża liczba cykli kasowania/zapisu
  • długi okres przechowywania raz zapisanych danych

Nie bez znaczenia na rynku przemysłowym jest również wieloletnia dostępność produktów oraz długi okres gwarancji, pełna kontrola i powtarzalność komponentów wykorzystanych do ich budowy (ang. BOM).

Dlatego też do zastosowań przemysłowych najlepiej nadają się pamięci Flash wykonane w technologii SLC (ang. Single Level Cell), gdzie w pojedynczej komórce pamięci można przechowywać tylko 1 bit informacji. Gwarantują one między innymi znikomą awaryjność i bardzo dużą ilość cykli zapisu, która umożliwia na przerzucanie przez dysk kilkadziesiąt razy większej ilości danych (np. system operacyjny z plikiem wymiany na dysku) niż w przypadku innych technologii.

Produkty z serii Industrial Grade zbudowane w oparciu o pamięć SLC najczęściej stosuje się w systemach o podwyższonej niezawodności (ang. mission-critical), aplikacjach sieciowychwojskowych oraz przemysłowych aplikacjach mobilnych, a także na rynku kiosków interaktywnychsterowania ruchem i procesami przemysłowymi oraz aparaturach rejestrujących i kontrolno-pomiarowych we wszystkich działach gospodarki.

Aby obniżyć cenę, producenci urządzeń Flash w technologii NAND wprowadzili możliwość przechowywania więcej niż 1 bit informacji w pojedynczej komórce pamięci. Zapewnia to budżetowa technologia MLC (ang. Multi Level Cell), gdzie w jednej komórce pamięci przechowywane są 2 bity informacji.

Gwałtowny rozwój pamięci MLC Flash typu NAND sprawił, że technologia ta stała się dominująca na rynku. Niestety, wykorzystujące ją produkty nie spełniają podstawowych parametrów jakimi powinien charakteryzować się dysk Flash do zastosowań przemysłowych.

Słabą stroną technologii MLC są m.in.:

  • dłuższy czas dostępu swobodnego do pojedynczych sektorów rozproszonych po dysku (głównie do małych plików)
  • zmniejszenie pewności zapisu ze względu na mniejsze okno międzyprogowe (większa wrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne powodujące w skrajnych przypadkach niekontrolowaną zmianę stanu logicznego komórek pamięci)
  • wrażliwość na sieciowe źródło zasilania, gdzie występują okresowo stany nieustalone (zasilacz sieciowy AC/DC) co eliminowane jest tylko poprzez zasilanie bateryjne.

Pamięci NAND z technologią MLC idealnie sprawdzają się natomiast na rynku elektroniki konsumpcyjnej, dla którego najważniejszymi parametrami stały się:

  • duża prędkość zapisu dużych bloków danych (np. streaming video, pliki mp3, zdjęcia i inne)
  • duże pojemności maksymalne (konkurujące z pojemnościami HDD)
  • minimalizacja ceny urządzenia

2slc

Warto zwrócić w tym miejscu uwagę na fakt, że na rynku przemysłowym coraz częściej pojawiają się dyski SSD i karty pamięci w technologii MLCokreślane mianem „Industrial Grade”. Jest to jednak wyłącznie chwyt marketingowy i ich awaryjność niczym nie różni się od rozwiązań komercyjnych.

Kolejną odmianą pamięci MLC jest MLC X3 tzw. TLC (Triple Level Cell), gdzie zapisywane jest nie 2 a 3 stany pamięci w pojedynczej komórce. Główną różnicą jest zawężenie okna miedzyprogowego komórki pamięci Flash TLC o połowę w stosunku do klasycznych MLC i 4-krotnie w stosunku do SLC. Zmniejszyła się jednocześnie ilość cykli zapisu w stosunku do MLC. Docelowo TLC zastąpi MLC, gdyż obie technologie są przeznaczone dla masowego komercyjnego odbiorcy, gdzie wyznacznikiem jest jedynie cena.

Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom swoich klientów, jeden z producentów pamięci Flash i dysków SSD, firma ATP, zaimplementowała do swoich produktów z pamięcią NAND Flash zaawansowane układy aMLC(advancedMLC). Pozwalają one na zapewnienie żywotności wynoszącej minimum 40 tys. cykli. Dla porównania, wytrzymałość bloku SLCwynosi od 60 do 100 tys.cykli programowania, a żywotność typowego chipa klasy MLC osiąga wartość ok. 1.5 ~ 3 tys. cykli. Przy zastosowaniu bardziej rozbudowanych układów klasy Enterprise MLC (eMLC), żywotność nośników wzrasta do ok. 10 tys. cykli, ale stosunek wydajności do data retention to niestety mniej niż połowa wartości osiąganej dla konsumenckich pamięci MLC. Dlatego też przystępna cena i brak wystąpienia niskiego stosunku wydajności do data retention czyni dyski ATP z technologią NANDaMLC bardzo konkurencyjnymi nawet na rynku do zastosowań przemysłowych.

Jakich informacji potrzebujemy od klienta:

  • W jakich warunkach będzie pracowało urządzenie?
  • W jakim zakresie temperatur ma pracować nośnik?
  • Jaki jest zaplanowany rodzaj interfejsu?
  • Jakie są wymagane pojemności nośnika?

Dodatkowe informacje:

Sprawy techniczne (Przemysłowe Pamięci Flash)

Osoba Stanowisko Email Telefon
 Kamil Ćwiertnia  Product Manager  kamil.cwiertnia@csi.pl  12 323-62-13
 Łukasz Zachara  Specjalista ds. Sprzedaży  12 323-62-14

Sprawy techniczne (Komputery Przemysłowe, systemy operacyjne, wsparcie produktowe) – email:

 

Pozostałe aktualności

Ramka danych CAN

Ramka danych CAN i mechanizmy zapewniające niezawodność

Ramka danych CAN. Formaty Klasyczny protokół CAN obsługuje dwa formaty ramki danych CAN. Zasadniczo różnią się one tylko długością identyfikatora CAN. Classical Base Frame Format (CBFF)” obsługuje długość 11 bitów dla identyfikatora CAN, a „Classical Extended Frame Format (CEFF)” obsługuje…

Dowiedz się więcej
Standard CAN

Magistrala CAN

Powstanie i zastosowanie magistrali CAN Controller Area Network (CAN) to standard magistrali transmisyjnej stworzony przez firmę Robert Bosch GmbH już na początku lat osiemdziesiątych. Standard CAN powstał w wyniku zapotrzebowania branży motoryzacyjnej. Ilość i skomplikowanie wszelkich elektronicznych elementów…

Dowiedz się więcej
Technologia VPX

Technologia VPX

Technologia VPX została zaprezentowana na targach Bus & Board (VITA) już w 2004, ale dopiero w ostatnich latach zyskuje na popularności, głównie ze względu na rosnącą liczbę producentów i na spadające ceny. VPX, zdefiniowany przez grupę roboczą VITA (ang. VME…

Dowiedz się więcej