Auswahlkriterien bei langlebigen
Speicherlösungen für die Industrie

Auswahlkriterien bei langlebigen Speicherlösungen für die Industrie
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Bei Speichern des Typs SLC gibt es zwei Zustände (0 oder1), bei MLC-Speichern gibt es vier Zustände und richtig kritisch wird es bei den TLC-Komponent
12.08.2013 | Bisher sprachen häufig die hohen Einstiegspreise gegen industrielle SSD. Doch dank stetiger Kostenoptimierung werden sie immer öfter zum bevorzugten Speichermedium. Bei der Kaufentscheidung gilt es, einige Kriterien zu beachten, denn nicht jede Speicherlösung erfüllt dieselben Anforderungen.

In den vergangenen Jahren haben Solid State Drives (SSD) die herkömmlichen Festplatten Hard Disk Drives, HDD) in immer mehr Anwendungen abgelöst. Sie stechen die klassischen Speichermedien in vielerlei Hinsicht aus – speziell am Industriemarkt. Besondere die kleinen SSD-Formfaktoren wie Compactflash oder SD-Karten bewähren sich in der Industrie schon über Jahre.
 

SSD bestehen prinzipiell aus folgenden Schlüsselkomponenten: der Leiterplatte, dem Prozessor, der Firmware, den Speicherchips, die in der Regel auf Nand-Flash-Technik basieren, und einem optionalen Zwischenspeicher. Der Nand-Flash speichert Information, indem die einzelne Speicherzelle unterschiedliche Zustände annimmt. Weil dies rein elektronisch geschieht – und nicht wie bei klassischen HDD über magnetisierte, rotierende Scheiben und einen bewegenden Schreiblesekopf – haben SSD deutlich kürzere Zugriffszeiten über den gesamten Speicherbereich. Die Abwesenheit beweglicher Teile machen SSD zudem gerade für  Industrieanwendungen interessant: Verglichen mit HDD sind sie zuverlässiger, energieeffizienter, leiser sowie schock- und vibrationsresistenter. Hinzu kommt eine längere Lebensdauer von rund zehn Jahren im Vergleich zu einigen Jahren bei HDD. Einziger Wermutstropfen ist ihr höherer Preis pro Speicherdichte. Dieser sinkt jedoch stetig: Kostete eine typische SSD für den Industriemarkt vor zwei Jahren noch rund zwanzig Euro pro Gigabyte, sind es heute noch etwa zehn Euro pro Gigabyte, Tendenz weiter fallend. Grund dafür ist, dass die Strukturbreiten der Flash-Chips von 60 nm und mehr auf um die 20-40 nm gesunken sind und sich voraussichtlich noch weiter reduzieren werden. Obwohl HDD mit einem Preis von derzeit durchschnittlich acht Cent pro Gigabyte noch deutlich preiswerter sind, können SSD bei einer Total-Cost-of-Ownership-Betrachtung die günstigere Variante darstellen. Für viele Anwendungen, wie etwa die Automatisierungstechnik, sind sie aufgrund der oben genannten Vorzüge – vor allem der langjährigen Zuverlässigkeit – ohnehin die einzige Alternative.
 

Drei SSD-Speicherlösungen stehen dem Anwender zur Wahl. Beim Einsatz der neuartigen Speicherlösungen gilt es jedoch, einige Faktoren zu beachten, denn SSD ist nicht gleich SSD. Grundsätzlich unterscheidet man die Varianten Single Level Cell (SLC), Multi Level Cell(MLC) und die neu entwickelten Triple Level Cell (TLC). SLC-Typen speichern in jede Flash-Speicherzelle ein Bit, MLC-SSD speichern pro Zelle zwei Bit und TLC drei Bit. Damit können MLC und TLC auf derselben Chipfläche ein Mehrfaches der Information von SLC speichern, haben also eine höhere Speicherdichte. Weil bei Flashspeichern die Chipfläche ein wesentlicher Kostenfaktor ist, sind TLC und MLC deutlich günstiger als SLC. So kostet eine MLC SSD durchschnittlich drei Euro pro Gigabyte, eine SLC hingegen etwa zehn Euro pro Gigabyte. Die geringeren Kosten haben jedoch ihren Preis: Sie gehen zu Lasten der Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und des Datenerhalts. So hat ein MLC-Speicher eine deutlich höhere Fehlerrate und benötigt deshalb viel umfangreichere und ausgefeiltere Fehlerkorrekturmechanismen. MLC erlauben zudem weniger Schreiblöschzyklen: Für die meisten SLC-Flashspeicher geben die Hersteller 100.000 Zyklen an, für MLC sind es nur zwischen 1000 und 3000. Ebenso gibt es beim Datenerhalt gravierende Unterschiede: Während SLC-Lösungen Daten bis zu zehn Jahre zuverlässig speichern, bringen es MLC gerade einmal auf maximal ein Jahr – das ist für Datenlogging oder reine Leseapplikationen, etwa Bootmedien mit statischen Daten der Betriebssysteme, bei Weitem nicht ausreichend.
 

Weil TLC- und MLC-Speicher günstiger sind als SLC, sind sie optimal geeignet für Konsumgüter wie MP3-Player, Fotokameras, USB-Sticks oder Handys. Dort ist der Preis ein starkes Verkaufskriterium, es finden nicht so viele Schreib- und Lesevorgänge statt und Zuverlässigkeit oder Datenerhalt haben nicht die Relevanz wie bei Industrieanwendungen. Für industrielle Einsatzgebiete sind SLC Speicher hingegen fast immer zu bevorzugen. Größere SSD-Speicherlösungen, die wie die klassischen Festplatten 2,5‘‘ messen, sind in der Regel mit leistungsfähigen Prozessoren ausgestattet und haben neben SLC- oder MLC-Chips einen zusätzlichen DRAM-(Dynamic-Random-Access- Memory-)Baustein. Dadurch verbessert sich die Zuverlässigkeit und Lebensdauer deutlich. Bei kleineren Abmessungen – wie sie in Automatisierungslösungen oder eingebetteten Applikationen gefordert sind – ist diese Kombination aufgrund der Platzbeschränkung und der erforderlichen Power-Fail-Sicherheit nicht möglich. Deshalb kommt bei den Compactflash-, C-Fast-, SD- oder Micro-SD-Karten hauptsächlich die reine Flashtechnik zum Einsatz. Aus diesem Grund führt bei ihnen kein Weg an SLC-Lösungen vorbei: Nur sie gewährleisten höchste Zuverlässigkeit mit einer geringen Fehlerrate und langem Datenerhalt. Beispielsweise bei Industrierechnern, die meist im 24/7-Betrieb laufen und deren Verfügbarkeit höchste Priorität hat, zahlt sich der Mehrpreis einer SLC-Lösung von wenigen Euro schnell aus. Denn ein Stillstand der Anlage ist in aller Regel mit hohen Kosten verbunden. Weiterer Vorteil: Sie ermöglichen das 20- bis 100-Fache der Schreibzyklen einer MLC und einen Datenerhalt von zehn Jahren.
 

Unabhängig davon, ob die Wahl auf SLC oder MLC- beziehungsweise TLC-SSD fällt, weisen die Speicherprodukte der verschiedenen Hersteller entscheidende Unterschiede in der Erfüllung der Industrieanforderungen auf. Ein wichtiges Kriterium ist die Langzeitverfügbarkeit. Denn Systemanbieter führen ihre Steuerungen meist über Jahre hinweg im Portfolio. Eine Neuqualifikation aufgrund geänderter Speicherlösungen verlangsamt und verteuert die Neuentwicklung der nächsten Steuergeneration ohne entsprechenden Mehrwert. Doch auch wenn derselbe Speicher eingesetzt wird, sind die Anwender nicht vor Problemen gefeit. So kommt es immer wieder vor, dass eine Speicherkarte in einer Anwendung einwandfrei funktioniert, während eine Karte einer neuen Lieferung mit derselben Bezeichnung in der gleichen Anwendung plötzlich ausfällt. Der Grund liegt in der sogenannten BOM, der „Bill of Material“ (Stückliste). Sie beschreibt die in der Speicherkarte eingesetzten Komponenten und Firmware. Es gehört leider zur üblichen Praxis, dass Hersteller aus Kostengründen andere Komponenten einsetzen, sprich die BOM ändern, ohne dies zu kennzeichnen oder die Kunden zu benachrichtigen. Wird dabei eine neue Firmware aufgespielt oder eine neue Flash-Revision eingesetzt, kann die Karte durch Inkompatibilität komplett ausfallen oder funktioniert möglicherweise fehlerhaft. Deshalb haben die Speicherlösungen von Swissbit eine „Fixed Bill of Material“, das heißt, alle Produkte sind baugleich zum Muster und somit auch untereinander 100%ig identisch über alle Lieferungen. Die Artikelbezeichnung gibt darüber hinaus detaillierte Auskunft, welche Firmware, Prozessoren oder Flash Chips in der Karte enthalten sind. Sollten änderungen nötig sein, ändert sich die Artikelbezeichnung entsprechend und eine „Product Change Notfication“ (PCN) informiert die Kunden frühzeitig. So haben diese die Möglichkeit, die Kompatibilität zu prüfen, bevor sie die geänderten Speicher verwenden.


Text: Roger Griesemer, Swissbit


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