Industrielle Flash-Speichermedien für Beckhoff Industrie-PCs

Im pSLC-Modus werden TLC-Zellen per Firmware als SLC-Zellen konfiguriert. Dabei wird pro Speicherzelle nur ein Bit mithilfe der zwei Ladungslevel voll = 0 und leer = 1 gespeichert. Dies führt zu einer erhöhten Lebensdauer, da geringfügige Ladungsverschiebungen den Bitzustand der Zelle nicht beeinflussen. Im Vergleich zu TLC, der pro Zelle acht Ladungslevel speichert, sind die zwei Ladungszustände 0 und 1 im pSLC-Modus leichter und zuverlässiger auszulesen.

Indem unterschiedliche Ladungslevel der Charge-Trap-Layer definiert werden, können mehrere Bits in einer Flash-Zelle gespeichert werden. Es ist möglich, bis zu vier Bits in einer einzigen Zelle zu speichern. Dabei können folgende NAND-Typen anhand der Anzahl der gespeicherten Bits pro Speicherzelle unterschieden werden:

• SLC mit einem Bit
• MLC mit zwei Bits
• TLC mit drei Bits
• QLC mit vier Bits

Flash-Speicherzellen sind effektiv MOSFET-Transistoren mit einer zusätzlichen Schicht. Diese sogenannte Charge-Trap-Layer ist zwischen einer Oxidschicht isoliert und kann Ladung und somit einen Bitzustand nicht-flüchtig speichern. Zum Programmieren der Speicherzelle wird eine hohe elektrische Spannung am Control-Gate angelegt, wodurch einzelne Elektronen aus der Kanalschicht in die Charge-Trap-Layer injiziert werden. Zum Auslesen des Bitzustands wird eine Referenzspannung an das Control-Gate angelegt. Ist die Charge-Trap-Layer geladen, wirkt die Ladung dem Stromfluss durch den Transistor entgegen, was dem Bitzustand 0 entspricht. Befindet sich keine Ladung in der Charge-Trap-Layer, kann der Strom durch den Transistor fließen, wodurch der Bitzustand 1 gelesen wird.

TLC bietet im Vergleich zur 1-Bit-Datenspeicherung im pSLC-Modus den Vorteil einer höheren Speicherdichte, wodurch größere Kapazitäten auf kompakterer Fläche realisiert werden können. Allerdings erfordert die Speicherung mehrerer Bits pro Zelle präzisere Spannungsabstufungen, was das Risiko von Ungenauigkeiten bei der Erkennung der Bitzustände erhöht. Dadurch nimmt die Lebensdauer der SSD ab, je mehr Bitzustände pro Zelle gespeichert werden. TLC-SSDs eignen sich daher für Anwendungen, bei denen weniger geschrieben wird. In Applikationen mit hohen Anforderungen an Lebensdauer, Schreibgeschwindigkeit oder bei unvorhersehbarer Datenlast ist hingegen der pSLC-Modus die optimale Wahl.

Durch die Anwendung hoher Spannungen bei Schreib- und Löschvorgängen wird die Oxidschicht der Speicherzellen im Laufe der Zeit allmählich abgenutzt. Dies kann nach einer hohen Anzahl von Schreibzyklen zu Elektronenabflüssen aus der Charge-Trap-Layer und somit zu einer Beeinflussung des gespeicherten Spannungszustandes führen. Diese Veränderungen beeinträchtigen die Zeit der sicheren Datenerhaltung in den Speicherzellen, wobei diese im pSLC-Modus auch nach 50.000 Schreibzyklen immer noch ein Jahr beträgt.

Die NVMe-Anbindung optimiert die Übertragungsgeschwindigkeiten von Speichermedien im pSLC-Modus durch eine direkte und effiziente Kommunikation zwischen SSD und CPU. Anders als SATA, das auf dem älteren AHCI-Protokoll basiert, wurde NVMe speziell für SSDs entwickelt und nutzt den Hochgeschwindigkeits-PCIe-Bus für eine schnellere Datenübertragung.

Mit PCIe 4.0 können so Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von bis zu 6.000 MB/s erreicht werden, was eine deutlich höhere Datenrate im Vergleich zu SATA (ca. 500 MB/s) bedeutet. Ein weiterer Vorteil von NVMe ist die Möglichkeit, parallele Anfragen besser zu verarbeiten. Dadurch wird die Systemlast gleichmäßiger verteilt, was besonders in Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Datenverarbeitung von Vorteil ist. Dies führt zu einer insgesamt flüssigeren Performance, was in industriellen Umgebungen für eine effizientere Arbeitsweise sorgt. Auch die geringe Latenz von NVMe trägt zur zuverlässigen Verarbeitung von Daten bei.