die clevere Alternative zu NOR-Flash - All

Embedded Systeme
Managed-NAND spart Zeit, Platz und Kosten
Die clevere Alternative zu NOR-Flash
Die NAND-Technologie bietet im Vergleich zur NOR-Technologie hohe Speicherdichten zu günstigen Preisen. Aus diesen
Gründen hat sie vor allem in Applikationen wie MP3-Playern, Mobiltelefonen und Speicherkarten Einzug gehalten. In
industriellen Applikationen erschweren oder verhindern allerdings die immer kleineren Prozessgeometrien sowie die
damit zusammenhängenden Faktoren den Einsatz von NAND-Speichern. Abhilfe schafft das Managed-NAND (e-MMC),
denn hier adaptiert der integrierte Controller die technologischen Veränderungen.
NAND-Speicher sind in Pages (Seiten) und
Blöcke aufgeteilt. Die Größen der Pages
variieren dabei von 512 Byte bis zu 4 KByte
bei größeren Flash-Bausteinen. Mehrere
Pages sind zu einem Block gruppiert. Bei
kleinen Speichern ist die Blockgröße
16 KByte und bei höheren Dichten
512 KByte.
Eine Page ist die kleinste
programmierbare Einheit,
das Löschen erfolgt nur
blockweise. Die Programmier- und Löschzyklen sind bei
der SLC-Technologie (Single Level Cell) mit 100 000 Zyklen und bei der
MLC-Technologie (Multi Level Cell) mit bis
zu 10 000 Zyklen spezifiziert. Nach diesen
Zyklen lassen sich die Zellen weiterhin programmieren, allerdings erhöht sich dabei
die RBER (Raw Bit Error Rate) geringfügig.
Jeder Page ist ein weiterer Bereich zugeordnet: die sogenannte Spare-Page. Hier
werden vom Hersteller die Bad-BlockMarkierungen für die Defektblöcke abgelegt. Diese Defektblöcke sind bereits zum
Zeitpunkt der Auslieferung vorhanden und
müssen später von der Treibersoftware
berücksichtigt werden.
Für die Zugriffssteuerung sind entsprechende NAND-Controller notwendig. Der
Datenbus hat üblicherweise eine Breite
von 8 bit oder 16 bit.
Fehlertypen bei NAND
Schwachpunkt der NAND- im Vergleich
zur NOR-Technologie ist ihre geringere
Zuverlässigkeit, die durch verschiedene
˘ AUTOR
Andreas Krizan ist
Product Sales Manager
Commodities bei Rutronik
24
Bild 1: ManagedNAND-Bausteine
sind in BGA-Bausteinen erhältlich Bilder/Grafiken:
Rutronik
Ausfalleffekte bedingt ist. Hier lassen sich
zwei Fehlerarten unterscheiden: Der erste
Fehlertyp ist der Block-Status-Fehler, bei
dem ein Schreib- oder Löschvorgang für
einen bestimmten Block nicht erfolgreich
abgeschlossen werden kann. Die zweite
Fehlervariante, die in den Bit-Error-Rates
sichtbar wird, tritt auf, wenn Bitfehler über
den entsprechenden Grad der Fehlerkorrektur (ECC, Error Code Correction) wiederhergestellt werden. Diese Korrektur führt
jedoch nicht zu einem Datenverlust oder
einem Statusfehler.
Beide Ausfalleffekte werden nach unterschiedlichen Fehlerraten bemessen. Hier
unterscheidet man die Raw Bit Error Rate
(RBER, Fehlerrate der „Roh-Bit“) genannten Fehler vor einer Fehlerkorrektur und
die Fehlerrate nach der Korrektur, die als
Uncorrectable Bit Error Rate (UBER) bezeichnet wird. Die UBER kann mit Hilfe der
gemessenen RBER und einem spezifischen
Level der Fehlerkorrektur errechnet werden. Je höher der Grad der Fehlerkorrektur
desto geringer ist die Anzahl der UBER.
Hierdurch lassen sich UBER-Fehlerraten
von 10 -19 bis 10 -15 erreichen, so dass
NAND-Speicher ebenso zuverlässig werden wie NOR-Speicher.
Fehlermechanismen bei NAND
Die Gründe für die höhere Fehleranfälligkeit der NAND-Technologie sind vielfältig.
Alle im folgenden aufgelisteten Fehlermechanismen können zu Störungen und damit zu Bit- oder Blockfehlern führen:
Program Disturb: Zur Programmierung einer Page wird
eine Spannung von 20 V
angelegt, so dass die
Elektronen in das FloatingGate fließen. Hierbei kann es vorkommen,
dass sich bei benachbarten Zellen
(Stressed-Cells) am Floating-Gate ebenfalls Ladung ansammelt. Die Zelle erscheint dadurch als unzureichend programmiert. Nur teilweise programmierte
Pages beschleunigen die Möglichkeit einer
Störung.
Die Stressed-Cells werden dabei nicht beschädigt. Ein Löschvorgang versetzt die
Zelle wieder in einen störungsfreien Zustand. Deshalb lassen sich mit Hilfe von
ECC (Fehlerkorrektur) solche Bitfehler effektiv korrigieren.
Read Disturb: Das Auslesen einer NANDZelle erfolgt über das Messen der Ladung
im Floating-Gate. Bei jedem Lesevorgang
geht ein sehr geringer Teil der Ladung verloren und erscheint ab einem bestimmten
Wert als unzureichend programmiert. Die
Daten müssen dann über ECC korrigiert
und neu abgespeichert werden.
Als Faustregel für die maximale Anzahl
der Lesevorgänge bis zum nächsten Löschvorgang innerhalb eines Blocks gilt 1 Millionen Zyklen bei SLC und 100 000 Zyklen
bei MLC. Nach dem Löschvorgang wird der
elektronik industrie 1/2 - 2009
Embedded Systeme
Read-Disturb-Zähler auf Null
zurückgesetzt. Wird die maximale Anzahl an Lesezyklen
überschritten, sollte der Inhalt
in einen anderen Block übertragen und der bisherige als
ungültig markiert werden.
Data Retention: Im Zeitverlauf
entsteht ein Ladungsverlust
am Floating-Gate, durch den
der Schwellwert der Spannung bis zum Ruhezustand
absinkt. Die Zellen sind unbeschädigt und können sicher
gelöscht und wiederbeschrieben werden.
Die Programmier-, Lösch- und
Lesevorgänge beeinflussen die
Dauer des Datenerhalts. Bei Bild 2: NAND und e-MMC im Vergleich
Blöcken, die einen langen Datenerhalt benötigen, empfiehlt es sich, die
sein. Auch das Wear-Leveling genannte
Programmier- und Löschzyklen sowie die
gleichmäßige Beschreiben aller gültigen
Lesevorgänge zu begrenzen So lassen sich
Blocks sorgt für eine längere Lebensdaudie Read-Disturb genannten Störungen
er der Zellen.
beim Lesen vermeiden.
Managed-NAND punktet dreifach
Endurance: Schreib- und Löschzyklen führen zu einer Abnutzung des Tunneloxids.
Dadurch können Teile der Ladung im Dielektrikum eingefangen werden, was wiederum einen Fehler beim Schreib- oder
Löschvorgang verursacht.
Um die Lebensdauer der Zellen zu verlängern, gilt es, immer den Status zu prüfen,
ob die Schreib- oder Löschoperationen
fehlerfrei stattfinden. Schlägt ein Schreibvorgang fehl, dann sollten die Daten aus
dem Block in einen anderen übertragen
werden, der Block als Bad-Block (schlechter Block) markiert und nicht weiter verwendet werden.
Die Fehlerkorrektur behebt auftretende
Fehler. Außerdem sollten die Metadaten
des Block-Managements in einem zusätzlichen Bereich mit ECC gesichert
Block-Management und Fehlerkorrektur
hängen sowohl vom Hersteller als auch
von der Technologie ab. Änderungen in der
Block- oder Page-Größe sowie das Hinzufügen von neuen Funktionen bedeuten für
den Anwender einen enormen Aufwand.
Bei einem Technologiewechsel auf kleinere Strukturen ändert sich die RBER (Raw
Bit Error Rate), so dass die ECC-Schemata
und die Wear-Leveling-Algorithmen neu
berechnet werden müssen. Der FTL (Flash
Translation Layer) muss auf die neuen
Page- und Blockgrößen angepasst werden.
Ein solcher Technologiewechsel findet bei
den Herstellern üblicherweise in Zyklen
von 9 bis 15 Monaten statt.
Das Managed-NAND (e-MMC, embedded-Multi-Media-Card) von Micron Technology erleichtert diese Anpassungen
erheblich: Mit seinem integrierten MMC-Controller übernimmt es die Funktionen des
Bad-Block-Managements,
von ECC und Wear-Leveling.
Durch das MMC-Interface
wird Managed-NAND zu einem standardisierten NANDSpeicher: ähnlich wie eine
Speicherkarte, jedoch als diskretes Bauteil.
Unsichtbar für den Host
Da die technologischen Veränderungen erst hinter dem
MMC-Controller stattfinden,
sind sie für den Host nicht
mehr sichtbar. Dies eröffnet
eine ganze Reihe von Vorteilen: Eine erleichterte und verkürzte Entwicklungsphase
und einen deutlichen Preisvorteil im Vergleich zu NOR- oder SLC-NAND-Flash durch
die ­Verwendung der MLC-Technologie. Die
Pluspunkte der Technologie zeigen sich
besonders stark in Applikationen wie
­Navigationssystemen, Set-Top-Boxen, Freisprecheinrichtungen und MultimediaAnwendungen.
Auch für Embedded-Computing-Anwendungen oder als Ersatz für Speicherkarten
ist Managed-NAND dank der hohen Speichergrößen interessant. Wenn das Medium nicht ausgetauscht werden muss,
bietet es hier nicht nur Platz-, sondern
auch Kostenreduzierung, da ein Kartenslot
entfällt.
Managed-NAND ist in den Grössen 2 GByte
bis 32 GByte als BGA-Baustein erhältlich
und bietet je nach Konfiguration Datenraten maximal 52 MByte/s.
(av)
˘ infoDIRECT
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˘ Link zu Rutronik
www.elektronik-industrie.de