TLC-Flash (Triple-Level Cell Flash)
TLC-Flash (Triple-Level-Cell-Flash) ist ein Typ von NAND-Flash-Speicher, der drei Datenbits pro Zelle speichert. TLC ist auch als MLC-3, 3-Bit-MLC und X3 bekannt.
Zu den üblichen Anwendungsfällen für TLC-Flash gehören Solid-State-Laufwerke (SSDs) für Unternehmen und Verbraucher, Speicherkarten in Digitalkameras und Mobiltelefonen sowie USB-Laufwerke. TLC-Flash bietet einen niedrigeren Preis pro Gigabyte (GB) als Single-Level-Cell (SLC)- und Multi-Level-Cell (MLC)-Flash, die normalerweise ein beziehungsweise zwei Datenbits pro Zelle speichern.
NAND-Flash-Hersteller verwenden TLC in der Regel mit 3D-NAND-Flash, bei dem die Speicherzellen vertikal auf dem Chip gestapelt sind. Die Speicherindustrie wechselte zu 3D-NAND-Flash, da die Hersteller die Skalierungsgrenzen der zweidimensionalen (2D) oder planaren Technologie erreichten, die eine einzelne Schicht von Speicherzellen verwendet. Die 3D-NAND-Technologie ermöglicht höhere Speicherdichten bei geringeren Kosten pro Bit und verbessert die Lebensdauer des Flash-Speichers. Samsung bezeichnet sein 3D-NAND als V-NAND.
Wie funktioniert TLC-NAND-Flash?
NAND-Flash ist eine Art von nichtflüchtigem Speicher, der eine Ladung über einen längeren Zeitraum speichern kann, unabhängig davon, ob eine Stromversorgung angeschlossen ist oder nicht. NAND-Flash-Speicher programmiert oder schreibt Datenbytes auf einen Halbleiterchip, nachdem eine elektronische Ladung eine Dateneinheit, einen so genannten Block, der unterschiedlich groß sein kann, gelöscht hat.
Jedes der drei Datenbits in einer TLC-Flash-Zelle wird entweder programmiert (0) oder gelöscht (1). Basierend auf dem Spannungspegel hat eine TLC-Speicherzelle insgesamt acht mögliche Zustände: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 oder 111. Im Gegensatz dazu gibt es bei SLC-Flash nur zwei Zustände (0 oder 1) und bei MLC-Flash vier Zustände (00, 01, 10, 11).
Planar- oder 2D-NAND-Flash verwendet in der Regel einen Floating-Gate-Transistor, der von einer Oxid-Isolierschicht umgeben ist, um Elektronen zu speichern und die Schwellenspannung zu ändern, um eine Zelle auf Null oder Eins zu programmieren. Durch den Programm-/Löschzyklus (Program/Erase Cycle, P/E) wird die Oxidisolierschicht schließlich abgetragen, wodurch die vom Hersteller eingestellten Schwellenwerte verzerrt werden. Das Problem verschlimmert sich bei TLC gegenüber SLC oder planarem Zwei-Bit-MLC-NAND, da es mehr Werte gibt, die von den voreingestellten Schwellenwerten abweichen und Fehler verursachen können.
SSD-Hersteller verwenden in der Regel Fehlerkorrekturalgorithmen (Error Correction Code), Overprovisioning, Wear Leveling und andere Mechanismen, um die Ausdauer und Zuverlässigkeit von planarem MLC- und TLC-NAND-Flash zu verbessern, damit dieser in Verbraucher- und Unternehmensgeräten und Flash-Speichersystemen eingesetzt werden kann.
Die meisten Hersteller von TLC-3D-NAND sind vom Floating-Gate-Ansatz zu einer Charge-Trap-Architektur übergegangen, bei der eine Siliziumnitridschicht die geladenen Elektronen festhält. Zu den potenziellen Vorteilen von Charge Trap gehören niedrigere Kosten sowie eine verbesserte Ausdauer und Zuverlässigkeit. Da Charge Trap mit einer niedrigeren Spannung arbeitet, ist die Gefahr von Defekten und Ladungsstörungen geringer.
TLC vs. SLC und MLC
Zwei der wichtigsten Vorteile von TLC-NAND-Flash gegenüber SLC und MLC sind die Speicherdichte und die Kosten pro Bit. Da TLC-Flash mehr Bits pro Zelle speichert, kann er die Kapazität von SLC verdreifachen und bietet 1,5-Mal mehr Speicherplatz als MLC mit zwei Bits pro Zelle. Die NAND-Hersteller erreichen mit einem TLC-Chip die gleiche Kapazität wie mit einem 32-GB-MLC-Chip, indem sie die Chipgröße von 16 Milliarden Zellen auf 10,667 Milliarden Zellen reduzieren, was Kosteneinsparungen ermöglicht.
Zu den Nachteilen von TLC gegenüber SLC- und MLC-Flash gehören Leistung, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.
Die langsamere Leistung hängt mit den acht Spannungsebenen von TLC zusammen, im Gegensatz zu den zwei Ladestufen von SLC und den vier Ebenen von Zwei-Bit-MLC. TLC-Flash programmiert Daten langsamer, weil er mehr Zeit benötigt, um die zusätzlichen Spannungspegel zu speichern. Die Spannungspegel müssen beim Lesen von Daten überprüft und in Bits zurückübersetzt werden, und der Übersetzungsprozess dauert bei TLC und seinen acht Stufen länger.
TLC-NAND hat eine höhere Bitfehlerrate als SLC- und MLC-Flash, da der geringe Unterschied zwischen den acht Spannungspegeln den Lesevorgang empfindlicher gegenüber Störungen macht. Bei SLC gibt es nur einen vom Hersteller festgelegten Schwellenwert, bei dem eine Ladung als Eins oder Null eingestuft wird, während es bei MLC vier und bei TLC acht sind. Die Werte können sich mit der Abnutzung der Flash-Zelle verschieben, was ebenfalls zu Fehlern führt.
TLC-Flash hat eine geringere Schreibausdauer als SLC- und MLC-Flash. Im Allgemeinen gilt: Je mehr Datenbits und Ladestufen eine planare NAND-Flash-Zelle hat, desto weniger P/E-Zyklen (Schreibzyklen) unterstützt sie. SLC-Flash-Speicherzellen können 50.000 bis 100.000 P/E-Zyklen aushalten, bevor sie verschleißen. Eine planare 2-Bit-MLC-Speicherzelle verträgt in der Regel nicht mehr als 3.000 P/E-Zyklen, und bei planarem MLC-NAND (eMLC) der Unternehmensklasse liegt die Grenze bei 10.000 P/E-Zyklen. Eine planare TLC-Speicherzelle kann im Allgemeinen nicht mehr als 500 oder 1.000 Schreibzyklen aushalten. Bei der 3D-NAND-Technologie ist die TLC-Größe jedoch größer und kann sich dem Ausdauerlevel von planarem Floating-Gate-basiertem MLC-Flash annähern.
Aufgrund der langsameren Leistung und der geringeren Ausdauer im Vergleich zu SLC- und MLC-NAND wurde planarer TLC-Flash ursprünglich hauptsächlich in Verbrauchergeräten wie Kamerakarten und USB-Laufwerken eingesetzt. Die Verwendung softwarebasierter Fehlerkorrektur- und Wear-Leveling-Techniken ermöglichte jedoch den Einsatz für leseintensive Arbeitslasten in Unternehmen. Die Verwendung von 3D-NAND mit TLC-Flash hat die Einsatzmöglichkeiten in Unternehmen erweitert.
