Speicheranforderungen für 5G-Gateways
Flash-Controller sorgt für Zuverlässigkeit
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das Wärme-Management
Die Temperatur ist eines der wichtigsten Designthemen, das zu berücksichtigen ist. Sie beeinflusst viele Betriebsparameter der Transistoren in Chips, darunter auch den Leckstrom. Der Leckstrom eines NMOS-Transistors steigt in der Regel um das Zehnfache, wenn die Umgebungstemperatur von 50 °C auf 100 °C ansteigt. Dies ist wichtig, denn mit dem Leckstrom steigt auch die Verlustleistung. Ein wirksames Wärme-Management ist daher unerlässlich.
Hohe Temperaturen haben erhebliche negative Auswirkungen auf die Betriebslebensdauer von Bauelementen. Im Falle von NAND-Flash sind die Zellen sowohl durch hohe Temperaturen als auch durch Temperaturschwankungen belastet, was zu höheren Fehlerraten führt, die die Gesamtlebensdauer des Speichersystems verringern. Die Fähigkeit von Flash-Zellen, Daten zu speichern, nimmt mit steigender Temperatur rapide ab. Ein Temperaturzuwachs um 20 °C kann die Datenerhaltungszeit um den Faktor 10 verringern. Andererseits erschweren niedrige Temperaturen, einen bestimmten Ladezustand einer Zelle genau zu programmieren. Die Rohfehlerraten und die für die Programm- und Löschzyklen benötigte Zeit variieren auf komplexe Weise mit der Temperatur. Diese Problematik verschärft sich bei MLC-Flash-Bausteinen (Multi-Level Cell), ganz zu schweigen von TLC (Triple-Level Cell), die mehr als ein Bit pro Speicherzelle speichern, weil die Ladungsniveaus, die genau zu programmieren und zu lesen sind, viel näher beieinander liegen. Daher sind in industriellen Systemen wegen ihrer größeren Zuverlässigkeit und längeren Lebensdauer eher Single-Level-Cell- (SLC) oder Pseudo-SLC-Speicher (pSLC) in Verwendung. Letzteres sind MLCs oder TLCs, bei denen der Controller nur ein Bit pro Zelle nutzt, um den genannten Schwachpunkt der nah beieinander liegenden Ladungsniveaus zu vermeiden.
Flash-Controller können darüber hinaus eine Reihe von Mechanismen einsetzen, um die Auswirkungen von Umweltbelastungen zu bewältigen und die Betriebsdauer zu maximieren. So sorgt beispielsweise das Wear Leveling dafür, dass geschriebene Daten gleichmäßig über alle Blöcke des Flash-Speichers verteilt sind. Somit altert kein einzelner Block vorzeitig. Hochentwickelte Fehlerkorrektur-Codes erkennen und korrigieren Fehler in den Speicherzellen. Indem der Controller die Anzahl der zu korrigierenden Fehler verfolgt, kann er feststellen, wann ein Speicherblock neu zu schreiben ist, um einen möglichen Datenverlust zu vermeiden. Letztendlich kann dies auch eine frühzeitige Warnung sein, bevor ein Speichermodul das Ende seiner Nutzungsdauer erreicht.
Bei der Entwicklung eines IIoT-5G-Gateways müssen die Leistungs-, Speicher- und Sicherheitsprofile so nah wie möglich am 5G-Netzwerk liegen. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass das System als Ganzes seine End-to-End-Service-Niveau-Spezifikation erfüllen kann und den Anforderungen der neuen Anwendungen entspricht. Die Eignung der Speicherlösung ist durch den Flash-Controller und seine Firmware definiert. Mit seiner Hilfe lässt sich die Nutzung der NAND-Chips für die Leistungs- und Umgebungsanforderungen der Anwendung optimieren. Wer industrietaugliche Anwendung entwickelt, sollte bei der Integration des Speichersystems beim NAND-Flash-Controller beginnen und sich an einen spezialisierten Anbieter wenden. Ob man ein Embedded-System mit einer eigenen Speicherlösung aus NAND-Chips und angepasstem Controller einsetzt oder fertige industrietaugliche Speichermodule findet, die den Spezifikationen entsprechen, erst durch die Auswahl des richtigen NAND-Flash-Controllers und der richtigen Firmware kann man sicherstellen, die physikalischen Eigenschaften der Speichertechnik und die ihr innewohnenden Schwächen richtig zu händeln. Nur so kann der Speicher sein Einsatzprofil zuverlässig erfüllen. Die Entwicklung hochleistungsfähiger, sicherer und zuverlässiger Speicherlösungen sollten gemeinsam mit einem Flash-Controller-Hersteller erfolgen.
Axel Mehnert ist VP Marketing und Produktstrategie bei Hyperstone.
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