Seite 4: Über Speichertechnologien: SLC, MLC, TLC und 3D-NAND

Die Frage um die Speichertechnologie wird bisweilen sehr ideologisch und kontrovers diskutiert, dabei ist sie für den Endanwender eigentlich kaum von Belang. Doch der Reihe nach – was hat es überhaupt mit SLC, MLC und TLC auf sich? Die Abkürzungen geben an, wie viele Bits in einer Zelle gespeichert werden. Bei Single Level Cell (SLC) ist es genau ein Bit, bei Multi Level Cell sind es zwei Bits und bei Triple Level Cell drei. Tatsächlich beschreibt MLC alle Technologien, bei denen mindestens zwei Bits pro Zelle gespeichert werden. Das eißt, man kann also auch von 2-Bit MLC und 3-Bit MLC sprechen, wobei letzteres äquivalent zu TLC ist.

Warum möchte man möglichst viele Bits pro Zelle speichern? Die Antwortet lautet Speicherdichte, denn mit der gleichen Anzahl an Zellen kann ein MLC-Laufwerk doppelt so viele Daten wie ein SLC-Laufwerk speichern, und ein TLC-Laufwerk immerhin 50% mehr als ein MLC-Laufwerk. Im Gegensatz zu Festplatten sind die variablen Kosten bei einer SSD in Abhängigkeit von der Speicherkapazität sehr hoch. Viele Festplattenmodelle enthalten die gleiche Anzahl an Plattern („Scheiben“), von denen bei den kleineren Modellen einfach ein Teil ungenutzt bleibt, denn die Produktionskosten für einen Platter sind vergleichsweise niedrig. Die Produktion von Silizium-Chips ist jedoch sehr aufwendig und teuer, sodass eine doppelt so große SSD in der Herstellung auch grob das Doppelte kostet. 

Der unterschiedliche Aufbau von 2D- und 3D-Speicher wird im Querschnitt deutlich. (Quelle: Samsung)

Und die Kehrseite der Medaille? In einer Zelle werden tatsächlich keine Bits gespeichert, sondern Elektronen. Je mehr Elektronen sich in einer Zelle befinden, desto höhere ist die Spannung. Über die Spannung lassen sich also mehrere Zustände kodieren. Im Fall von SLC gibt es 21, also zwei Zustände. Diese auseinanderzuhalten ist sehr einfach, da sich entweder gar keine Elektronen in der Zelle befinden oder die maximale Anzahl. Bei TLC gibt es hingegen 23, also ganze acht Zustände. Neben „minimale Spannung“ und „maximale Spannung“ muss es also sechs weitere Zustände geben, die der Controller zuverlässig programmieren und ebenso zuverlässig wieder auslesen können muss. Dies stellt eine große Herausforderung dar und führt schlussendlich dazu, dass vor allem der Programmiervorgang deutlich langsamer wird und die Performance daraufhin sinkt. Ebenso haben Speicherzellen keine unbegrenzte Lebensdauer, gegen Ende derselben wird ihre Fähigkeit, einen Zustand zuverlässig zu speichern, immer schlechter. Das Unterscheiden von acht Zuständen ist hier also wesentlich früher nicht mehr möglich als bei lediglich zwei oder vier Zuständen – die Lebensdauer sinkt.

Auf der anderen Seite entwickeln sämtliche Hersteller ihre Controller immer weiter, sodass dank Fortschritten in der Signalverarbeitung und der Fehlerkorrektur die reduzierte Haltbarkeit des Speichers ausgeglichen werden kann. Dazu ein Zahlenbeispiel: Die Samsung SSD 840 EVO ist mit 19 nm TLC-Speicher ausgestattet und soll in der 250 GB Variante selbst bei extremer Belastung (40 GB/Tag Schreibzugriffe nach JEDEC) über zehn Jahre halten.

Größenvergleich zwischen einem 2D und einem 3D-Die. (Quelle: Samsung)

Die fortschreitende Verkleinerung erreicht selbstverständlich irgendwann auch eine physikalische Grenze. Diese liegt im 1x nm-Bereich und wurde bei Samsung mit der 840 EVO erreicht. Mit der SSD 850 PRO ist Samsung daher auf den sogenannten 3D-Speicher umgestiegen.

Das Konzept dahinter ist einfach zu verstehen: 2D-Speicherzellen sind, wie der Name suggeriert, in einer Ebene angeordnet. Möchte man mehr Speicherzellen, erhöht sich zwangsweise die Grundfläche des Chips. Diese ist jedoch beschränkt, sodass 2D-Speicher irgendwann nicht mehr wachsen kann. Bei 3D-Speicher kann man sich eine Speicherzelle als einen Zylinder vorstellen, so wie es auf der folgenden Grafik schematisch angedeutet ist:

Der schematische Aufbau einer einzelnen 3D-Speicherzelle. (Quelle: Samsung)

Diese Zylinder können nun übereinander gestapelt werden, sodass der Speicher auch in die Höhe wachsen kann, während die Grundfläche gleich bleibt. Auf diese Weise kann die Speicherdichte nahezu beliebig erhöht werden. Der bei der Samsung SSD 850 EVO zum Einsatz kommende 3D-Speicher besitzt beispielsweise 32 Schichten und speichert 3 Bit pro Zelle (TLC). Angaben zur Strukturgröße von 3D-Speicher gibt es leider nicht, Samsung verspricht für seinen eigenen 3D TLC-Speicher jedoch eine Haltbarkeit im Bereich von 2D MLC-Speicher. 3D-Speicher besitzt neben einer höheren Haltbarkeit auch viele weitere Vorteile wie eine höhere Performance und einen niedrigeren Energieverbrauch, ist technisch allerdings sehr anspruchsvoll, weswegen es noch viele SSDs mit klassischem 2D-Speicher gibt. Samsung setzt bei allen Consumer-SSDs inzwischen auf 3D-Speicher.