Mehrstufige Zelle - Multi-level cell
In Elektronik , ein Multi-Level - Cell ( MLC ) ist eine Speicherzelle speichern konnte mehr als ein einziges Bit an Informationen im Vergleich zu einem Single-Level - Cell- ( SLC ) , die nur ein Bit pro Speicherzelle speichern kann. Eine Speicherzelle besteht typischerweise aus einem einzelnen MOSFET mit schwebendem Gate (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), daher reduzieren Multi-Level-Zellen die Anzahl der MOSFETs, die zum Speichern der gleichen Datenmenge wie Single-Level-Zellen erforderlich sind.
Triple-Level-Zellen ( TLC ) und Quad-Level-Zellen ( QLC ) sind Versionen von MLC-Speichern, die drei bzw. vier Bits pro Zelle speichern können. Der Name „ Multi- Level-Zelle“ wird manchmal speziell verwendet, um sich auf die „ Zwei- Level-Zelle“ zu beziehen . Insgesamt werden die Erinnerungen wie folgt benannt:
- Single-Level-Zelle oder SLC (1 Bit pro Zelle)
- Multi-Level Cell oder MLC (2 Bit pro Zelle) alternativ Double-Level Cell oder DLC
- Triple-Level Cell oder TLC (3 Bit pro Zelle) oder 3-Bit MLC
- Quad-Level-Zelle oder QLC (4 Bit pro Zelle)
- Penta-Level-Zelle oder SPS (5 Bit pro Zelle) – derzeit in Entwicklung
Typischerweise sinken mit steigender "Level"-Zählung die Leistung (Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit) und die Verbraucherkosten; diese Korrelation kann jedoch von Hersteller zu Hersteller variieren.
Beispiele von MLC-Speichern sind MLC NAND Flash , MLC PCM (Phase Change Memory) usw. Beispielsweise kann in der SLC NAND Flash-Technologie jede Zelle in einem der beiden Zustände existieren und ein Informationsbit pro Zelle speichern. Die meisten MLC-NAND- Flash-Speicher haben vier mögliche Zustände pro Zelle, sodass sie zwei Informationsbits pro Zelle speichern können. Dies verringert den Betrag des Spielraums, der die Zustände trennt, und führt zu der Möglichkeit von mehr Fehlern. Multi-Level-Zellen, die auf niedrige Fehlerraten ausgelegt sind, werden manchmal als Enterprise MLC ( eMLC ) bezeichnet.
Neue Technologien wie Multi-Level-Zellen und 3D-Flash sowie steigende Produktionsmengen werden die Preise weiter sinken lassen.
Einstufige Zelle
Flash-Speicher speichert Daten in einzelnen Speicherzellen, die aus Floating-Gate-MOSFET- Transistoren bestehen. Traditionell hatte jede Zelle zwei mögliche Zustände (jeweils mit einem Spannungspegel), wobei jeder Zustand entweder eine Eins oder eine Null darstellte, so dass ein Datenbit in jeder Zelle in sogenannten Single-Level-Zellen oder SLC-Flash-Speichern gespeichert wurde. SLC-Speicher hat den Vorteil höherer Schreibgeschwindigkeiten, geringerer Leistungsaufnahme und höherer Zellenlebensdauer. Da jedoch ein SLC-Speicher weniger Daten pro Zelle speichert als ein MLC-Speicher, kostet seine Herstellung mehr pro Megabyte Speicher. Aufgrund der höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und der erwarteten längeren Lebensdauer wird die SLC-Flash-Technologie in Hochleistungs- Speicherkarten verwendet . Im Februar 2016 wurde eine Studie veröffentlicht, die in der Praxis kaum Unterschiede zwischen der Zuverlässigkeit von SLC und MLC zeigte.
Ein Single-Level-Cell-(SLC)-Flash-Speicher kann eine Lebensdauer von etwa 50.000 bis 100.000 Programmier-/Löschzyklen haben.
Eine Zelle mit einer Ebene stellt eine 1 dar, wenn sie fast leer ist, und eine 0, wenn sie fast voll ist. Zwischen den beiden möglichen Zuständen gibt es einen Unsicherheitsbereich (eine Lesemarge), bei dem die in der Zelle gespeicherten Daten nicht genau gelesen werden können.
Mehrstufige Zelle
Der Hauptvorteil von MLC-Flash-Speichern sind die geringeren Kosten pro Speichereinheit aufgrund der höheren Datendichte, und Speicherlesesoftware kann eine höhere Bitfehlerrate kompensieren . Die höhere Fehlerrate erfordert einen Fehlerkorrekturcode (ECC), der Mehrfachbitfehler korrigieren kann; Beispielsweise kann der SandForce SF-2500 Flash Controller bis zu 55 Bits pro 512-Byte-Sektor mit einer nicht behebbaren Lesefehlerrate von weniger als einem Sektor pro 10 17 gelesenen Bits korrigieren . Der am häufigsten verwendete Algorithmus ist Bose-Chaudhuri-Hocquenghem ( BCH-Code ). Andere Nachteile von MLC-NAND sind niedrigere Schreibgeschwindigkeiten, geringere Anzahl von Programm-Löschzyklen und höherer Stromverbrauch im Vergleich zu SLC-Flash-Speichern.
Die Lesegeschwindigkeiten können bei MLC-NAND auch niedriger sein als bei SLC, da dieselben Daten bei einer zweiten Schwellenspannung gelesen werden müssen, um Fehler zu beheben. TLC- und QLC-Geräte müssen möglicherweise bis zu 4 bzw. 8 Mal dieselben Daten lesen, um Werte zu erhalten, die von ECC korrigierbar sind.
MLC-Flash kann eine Lebensdauer von etwa 1.000 bis 10.000 Programmier-/Löschzyklen haben. Dies erfordert typischerweise die Verwendung eines Flash-Dateisystems, das um die Beschränkungen des Flash-Speichers herum ausgelegt ist, wie beispielsweise die Verwendung von Wear-Leveling , um die nutzbare Lebensdauer des Flash-Geräts zu verlängern.
Der Intel 8087 verwendete die Zwei-Bit-pro-Zelle-Technologie und war 1980 eines der ersten Geräte auf dem Markt, das Multi-Level-ROM-Zellen verwendet. Später demonstrierte Intel 1997 2-Bit Multi-Level-Cell (MLC) NOR-Flash . NEC demonstrierte 1996 Quad-Level-Zellen mit einem 64- Mb- Flash- Speicherchip, der 2 Bit pro Zelle speichert. 1997 stellte NEC einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) mit Quad-Level-Zellen vor, der eine Kapazität von 4 Gb fasst. STMicroelectronics demonstrierte im Jahr 2000 auch Quad-Level-Zellen mit einem 64- Mb- NOR-Flash- Speicherchip.
MLC wird verwendet, um sich auf Zellen zu beziehen, die zwei Bits pro Zelle speichern, wobei vier Ladungswerte oder -pegel verwendet werden. Einem 2-Bit-MLC ist jeder möglichen Kombination von Einsen und Nullen ein einzelner Ladepegel zugewiesen, wie folgt: Bei einem Füllstand von fast 25 % stellt die Zelle einen Binärwert von 11 dar, bei fast 50 % stellt die Zelle eine 01 dar, nahe 75 % stellt die Zelle eine 00 dar, und nahe 100 % stellt die Zelle eine 10 dar. Auch hier gibt es einen Unsicherheitsbereich (Lesespanne) zwischen Werten, bei dem die in der Zelle gespeicherten Daten nicht genau sein können lesen.
Ab 2013 verwenden einige Solid-State-Laufwerke einen Teil eines MLC-NAND-Chips, als wäre es ein Single-Bit-SLC-NAND, was höhere Schreibgeschwindigkeiten ermöglicht.
Ab 2018 sind fast alle kommerziellen MLCs planar-basiert (dh Zellen werden auf einer Siliziumoberfläche aufgebaut) und unterliegen daher Skalierungsbeschränkungen. Um dieses potenzielle Problem anzugehen, sucht die Industrie bereits nach Technologien, die eine Erhöhung der Speicherdichte über die heutigen Grenzen hinaus garantieren können. Eines der vielversprechendsten ist 3D-Flash, bei dem Zellen vertikal gestapelt werden, wodurch die Einschränkungen der planaren Skalierung vermieden werden.
In der Vergangenheit gingen einige Speicherbausteine die andere Richtung und verwendeten zwei Zellen pro Bit, um noch niedrigere Bitfehlerraten zu erzielen.
Enterprise MLC (eMLC) ist eine teurere Variante von MLC, die für den kommerziellen Einsatz optimiert ist. Es behauptet, länger und zuverlässiger zu sein als normale MLCs und bietet gleichzeitig Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlichen SLC-Laufwerken. Obwohl viele SSD-Hersteller MLC-Laufwerke für den Einsatz in Unternehmen produziert haben, verkauft nur Micron rohe NAND-Flash-Chips unter dieser Bezeichnung.
Zelle mit drei Ebenen
Eine Triple Level Cell ( TLC ) ist eine Art NAND-Flash- Speicher, der drei Informationsbits pro Zelle speichert. Toshiba führte 2009 Speicher mit Triple-Level-Zellen ein.
Samsung kündigte eine Art NAND-Flash an, der drei Informationsbits pro Zelle mit acht Gesamtspannungszuständen (Werten oder Pegeln) speichert und den Begriff "Triple Level Cell" ("TLC") prägte. Samsung Electronics begann 2010 mit der Massenproduktion und wurde erstmals in Samsungs SSDs der 840er Serie verwendet . Samsung bezeichnet diese Technologie als 3-Bit-MLC. Die negativen Aspekte von MLC werden durch TLC verstärkt, aber TLC profitiert von einer noch höheren Speicherdichte und niedrigeren Kosten.
Im Jahr 2013 führte Samsung V-NAND (Vertical NAND, auch bekannt als 3D-NAND) mit Triple-Level-Zellen ein, die eine Speicherkapazität von 128 GB aufwiesen . Sie erweiterten ihre TLC V-NAND-Technologie 2015 auf 256 Gb Speicher und 2017 auf 512 Gb.
Quad-Level-Zelle
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Speicher, der vier Bits pro Zelle speichert, wird im Allgemeinen als Quad Level Cell ( QLC ) bezeichnet, gemäß der von TLC festgelegten Konvention . Vor seiner Erfindung bezog sich QLC auf Zellen, die sechzehn Spannungszustände aufweisen können, dh solche, die vier Bits pro Zelle speichern.
2009, Toshiba und SanDisk eingeführt NAND - Flash - Speicherchip mit quad-Pegel - Zellen, Lagerung 4-Bit - pro - Zelle und eine Kapazität von 64 Halt Gb.
SanDisk X4 Flash-Speicherkarten, die 2009 eingeführt wurden, waren eines der ersten Produkte auf Basis von NAND-Speicher, das vier Bits pro Zelle speichert, allgemein als Quad Level Cell (QLC) bezeichnet, mit 16 diskreten Ladungsstufen (States) in jedem Individuum Transistor. Die in diesen Speicherkarten verwendeten QLC-Chips wurden von Toshiba, SanDisk und SK Hynix hergestellt .
2017 stellte Toshiba V-NAND-Speicherchips mit Quad-Level-Zellen vor, die eine Speicherkapazität von bis zu 768 Gb haben. Im Jahr 2018 haben ADATA , Intel , Micron und Samsung einige SSD-Produkte mit QLC-NAND-Speicher auf den Markt gebracht.
Im Jahr 2020 hat Samsung eine QLC-SSD mit Speicherplatz bis zu 8 TB für Kunden herausgebracht. Es ist die SATA SSD mit der größten Speicherkapazität für Endkunden ab 2020.