KIOXIA EXCERIA PRO 2TB im Test – BiCS5 muss sich mit Microns 176-Layer NAND messen, auch beim Preis

1 - Einführung, Unboxing, Technik und Daten 2 - Teardown: Controller und NAND im Detail 3 - Dynamischer pSLC Cache im Detail 4 - Testsystem und synthetische Tests 5 - Anwendungsbenchmarks und Zusammenfassung

Was bedeutet eigentlich dynamischer pSLC Cache?

Kommen wir nun zu einem etwas technischeren Detail, das den meisten so gar nicht im vollen Umfang bekannt sein dürfte. Über pSLC-Cache ist ja schon viel geschrieben worden, das muss man gar nicht noch einmal im Detail durchkauen, maximal noch als kleine Auffrischung. Here we go…

Um die Schreibgeschwindigkeit zu erhöhen, wird gern der sogenannte  „Pseudo-SLC Cache“ (pSLC) in Consumer-Produkten genutzt, wobei man ihn mittlerweile auch in diversen industriellen Lösungen findet. Hierfür wird ein Teil der NAND-Kapazität als SLC-Speicher konfiguriert, in dem nur ein Bit pro Zelle gespeichert wird. Dementsprechend, kann dieser Speicher sehr schnell beschrieben und gelesen werden. Da es sich nicht um dedizierten, also keinen echten SLC-Speicher handelt, wird er pseudo SLC genannt. Ein solcher Cache kann für alle Speichertypen verwendet werden, die mehrere Bits pro Flash-Zelle speichern, also wie hier beim TLC drei Bits. Der pSLC Cache nutzt bei dem einen Bit zudem eine deutlich höhere Spannung, was eine gewisse Sicherheit bietet und damit besser ist als Fast Page.

Die Verwendung von pSLC-Cache bietet einen Geschwindigkeitsvorteil, vor allem dann, wenn das Speichermedium nicht mit Lese- oder Schreibzugriffen zwischen dem dem Schreiben größerer Datenmengen. Diese Leerlaufzeiten werden vom Speichermedium genutzt, um Daten aus dem Cache in den TLC-Bereich zu verschieben.

Doch die Nachteile des pSLC kennt jeder. Wenn der schnelle pSLC-Cache nämlich voll ist, sinkt die Geschwindigkeit deutlich ab, da weitere Schreibzugriffe auf das auf das Speichermedium erst den pSLC freimachen müssen, indem man ältere Daten aus dem Cache in den TLC Speicher verschiebt. 

Doch was bitte versteckt sich jetzt hinter „dynamischem pSLC Cache“?  Dynamischer pSLC-Cache hat zwar mittlerweile auch seinen Weg in industriellen Speicherlösungen gefunden, aber nur mit sehr harten Einschränkungen. Im Gegensatz zum statischen pSLC-Cache werden bis zu 100 % des NAND-Flash dynamisch als pSLC-Cache genutzt, je nachdem, wie voll das Speichermedium ist. Der Cache kann also bis zu 1/3 der Gesamtspeichergröße umfassen

Die Schreibgeschwindigkeit des Speichermediums hängt allerdings nicht nur von der Datenmenge ab, die ohne Unterbrechung geschrieben wird, sondern auch vom Füllstand des Speichers. Und genau das macht die Schreibgeschwindigkeit im Lebenszyklus nur schwer vorhersagbar.

Von einer dynamischen Änderung der Konfiguration von Flash-Blöcken als pSLC- oder TLC-Speicher wird von den NAND-Flash-Herstellern aus Gründen der Zuverlässigkeit zwar abgeraten, aber im Consumer-Bereich, wo die Temperaturfenster nicht so sehr von Belang sind, sieht man das durchaus etwas entspannter.

Alle Hersteller von dynamischen NAND-Speichermedien Medien, auch Micron, wechseln nach einer festgelegten Maximalanzahl von Programm- und Löschzyklen dauerhaft in den TLC-Modus zurück. Davor erreicht das Speichermedium die besten Werte vor allem bei kurzen Schreibvorgängen, die nicht die gesamte Kapazität benötigen. Nach einer gewissen Nutzungszeit wird das Medium jedoch dauerhaft verlangsamt, das darf man nie ausblenden. Der E18 von Phison beherrscht die dynamische Änderung der Konfiguration von Flash-Blöcken recht gut, aber die Physik überlisten kann er auch nicht.

Wann man dann das Ende der Cache-Performance erreichen wird, bliebe also abzuwarten. Das müssen am Ende dann echte Langzeittests zeigen, denn zum Micron NAND ist leider noch nichts Diesbezügliches bekannt. So nehmen wir die heute gemessene Performance gern zur Kenntnis, müssen aber auch einschränkend anmerken, dass die sicher auch länger so nutzbar sein wird, aber nie auf Dauer, wenn man sich zum Schreib- und Lösch-König großer Speicherblöcke qualifizieren möchte.