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NAND-Flash-Memory: Typen und Einsatzmöglichkeiten

Um den richtigen NAND-Flash-Speicher zu wählen, muss man die Optionen und deren Charakteristiken kennen. Wir vergleichen fünf wichtige Optionen, die derzeit verfügbar sind.

Ursprünglich sollte NAND-Technologie der Flash-Memory-Technologie bessere Chancen im Wettbewerb mit Festplatten und anderen magnetischen Speicheroptionen eröffnen. Durch geringere Kosten pro Bit und wachsende Chipkapazität hat sich NAND-Flash inzwischen einen Platz im Markt für Flash-Storage erobert. Die Preise für diese Speicherklasse waren bis vor kurzem signifikant höher als die von Alternativen.

Es gibt viele unterschiedliche Typen von NAND-Flash. Die Bezeichnung jedes Typs referenziert auf die Zahl der Bits pro Speicherzelle, so dass man sie sich gut merken kann.

Im Folgenden werden die fünf wichtigsten Flash-Memory-Typen, ihre Einsatzzwecke sowie ihre Vor- und Nachteile beschrieben.

Single-Level Cell (SLC)

SLC NAND speichert, wie schon der Name sagt, ein Bit pro Zelle. Es gibt zwei mögliche Zustände von SLC-NAND-Zellen: programmiert (0) oder gelöscht (1). Welcher Status besteht, richtet sich nach der an die Zelle angelegten Spannung. Wegen der nur zwei möglichen Zustände ist es einfach festzustellen, in welchem Zustand sich eine Zelle befindet.

SLC NAND ist der einfachste NAND-Flash-Speichertyp und erzeugt nur selten Fehler. SLC-NAND-Memory-Zellen schaffen etwa 100.000 Schreibzyklen, bevor sie ausfallen, was sie zum haltbarsten NAND-Typ macht. Allerdings sind sie auch am teuersten; sie kosten mehr als doppelt so viel wie Multilevel-NAND-Zellen. Wegen des hohen Preises sowie der hohen Leistung und Zuverlässigkeit wird SLC-Flash-Memory meist in kommerziellen und Industrieanwendungen verwendet.

Die unterschiedlichen NAND-Typen im Vergleich.
Abbildung 1: Die unterschiedlichen NAND-Typen im Vergleich.

Multi-Level Cell (MLC)

Die Bezeichnung Multi-Level Cell (MLC) NAND leitet sich nicht so eindeutig ab. Dieser Typ speichert zwei Bits pro Zelle. Es gibt also vier mögliche Zustände pro Zelle (00, 01, 10, 11). MLC steht hinsichtlich Kapazität und Leistung zwischen SLC und Triple-Level Cell (TLC, siehe unten): MLC hat eine höhere Bitrate als SLC. Das senkt die Menge möglicher Schreibzyklen auf etwa 10.000 und steigert die Fehlerhäufigkeit.

Wie schon erwähnt kostet MLC- aber erheblich weniger als SLC-Memory. MLC passt zu vielen Einsatzfeldern. Hersteller von Geräten für Endverbraucher wie PCs nutzen zum Teil MLC NAND, weil die Technologie billiger ist.

Aber es gibt auch MLC NAND für professionelle Zwecke. Enterprise MLC (eMLC) hat mehr Schreibzyklen als die Variante für Endverbraucher, nämlich 20.000 bis 30.000. Daher passt dieser Typ besser zu anspruchsvolleren Einsatzfeldern, kostet aber nicht so viel wie SLC.

Triple-Level Cell (TLC)

Dieser Typ schafft drei Bits pro Speicherzelle und passt zu Endverbraucheranwendungen. Andere Bezeichnungen sind MLC-3, 3-Bit-MLC und X3. TLC NAND kostet weniger als SLC und MLC NAND. Jede Speicherzelle kann acht Zustände annehmen: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111.

TLC hat eine höhere Speicherdichte als SLC und MLC. Der Preis pro Bit ist geringer, dafür ist die Performance geringer, die Zellen haben eine kürzere Lebensdauer und sind unzuverlässiger. TLC profitiert von der Zusatztechnologie 3D NAND (siehe unten), die dem NAND-Typ auch einige Enterprise-Anwendungsfelder erschließen dürfte.

Memory-Typen im Überblick.
Abbildung 2: Memory-Typen im Überblick.

Quad-Level Cell (QLC)

Quad-Level Cell (QLC) NAND speichert vier Bits in jeder Zelle. Auch dieser Typ bestätigt den bisherigen Trend: QLC NAND ist billiger als die oben genannten Optionen, verkraftet aber weniger Schreibvorgänge. QLC erhöht die Speicherkapazität von SSDs und ist schneller lesbar als andere NAND-Flash-Typen.

Dieser Speichertyp passt besonders gut zu leseintensiven Anwendungen, etwa künstliche Intelligenz, Machine und Deep Learning. Hierbei werden Daten meist nur einmal geschrieben. Nicht so gut passt dieser Speichertyp zu schreibintensiven Workloads, denn er unterstützt nur etwa 100 Schreibzyklen. Wie bei anderen NAND-Typen kann die zusätzliche Nutzung von 3D NAND die Zahl der möglichen Schreibzyklen erhöhen, allerdings nur bis etwa 1000 Zyklen.

3D NAND

2D NAND hat nur eine Schicht von Speicherzellen, 3D NAND stapelt Zellen vertikal auf mehreren Ebenen oder Schichten. 3D NAND SSDs gibt es mit MLC-, TLC- und QLC-NAND-Technologie, aber nicht mit SLC NAND. SSDs mit 3D-NAND-Architektur sind weit dichter als solche mit planaren NAND-Typen und brauchen deshalb weniger Platz. Höhere Dichte bedeutet auch weniger Kosten pro GByte, geringeren Stromverbrauch und höhere Schreibleistung.

Allerdings hat auch die Verwendung von 3D NAND für SSDs einige Nachteile: Die Herstellungskosten sind höher, weil 3D NAND mehr Fertigungsschritte erfordert als die von 2D NAND-SSDs. Die Einsatzfelder sind dieselben wie bei planarem NAND, was jedoch gewählt wird, hängt von den individuellen Anforderungen und Investitionsbudgets ab.

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