Erhöhte Lebensdauer für Flashspeicher mit DIE-RAID

Innodisk, Eindhoven, 09.02.2022 - Anhand stetig physischer Verkleinerung der NAND-Flash-Zellen, können mehr Zellen pro Flächeneinheit untergebracht und die Speicherkapazität erhöht werden. Dies kann jedoch zu einer höheren Interferenz mit der in der Zelle eingeschlossenen Ladung führen. Folge ist eine erhöhte Fehlerbitrate. Die Zellen nehmen immer mehr Bits auf, wodurch der Puffer zwischen den Spannungsebenen immer weiter abnimmt und die Gefahr für Lesefehler zunehmend wahrscheinlicher wird. Ohne Gegenmaßnahmen führt dies bei modernen NAND-Flashspeichern schon nach kurzer Zeit zu Ausfällen. Die Fehlerkorrektur ist daher eine der wichtigsten Funktionen bei Speicherprodukten.

Aufgrund seiner Effektivität ist der BCH-Code (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem-Code) eine häufig verwendete Fehlerkorrekturmethode in NAND-Flash. Mit den jüngsten technologischen Fortschritten wird diese Methode durch Low-Density Parity Check (LDPC) als Standard ECC Funktion (Error Correcting Code Funktion) für die meisten SSDs ersetzt. Sie hat eine stärkere Fehlerkorrekturfähigkeit als der BCH-Code und ermöglicht eine genauere Identifizierung der ursprünglichen Bitfolge nach einem Fehler.

“DIE-RAID” ist ein weiteres wichtiges Werkzeug zur Korrektur fehlerhafter Bits. Sein Nachteil ist, dass SSDs scheinbar Kapazitäten unterhalb des Standards „Power-of-Two“ haben. Diese scheinbar fehlende Nutzungskapazität ist in Wirklichkeit die Speicherung von Paritätsdaten, die zur Korrektur von Fehlerbits verwendet werden, wenn ECC dies nicht schafft. In Kombination mit anderen Fehlerkorrekturfunktionen erhöht DIE-RAID die Anzahl der (P/E cycles) Schreib-/Löschzyklen und gewährleistet eine gleichbleibende Flash-Leistung über einen längeren Zeitraum.

Redundant Array of Independent Drives (RAID) verwendet Spiegelung, Striping und Paritätsdatenspeicherung, um die Datenintegrität bei Verwendung von zwei oder mehr Speicherlaufwerken zu gewährleisten. Durch die Spiegelung von Datenkopien von einem Laufwerk auf ein Anderes wird sichergestellt, dass im Falle eines Laufwerksausfalls ein zweiter Datensatz verfügbar ist (RAID 1). Striping beschreibt, wie Datensätze auf die verschiedenen Laufwerke geschrieben, anstatt auf einem einzigen Laufwerk gespeichert zu werden. Paritätsdaten werden in Konfigurationen mit drei oder mehr Laufwerken verwendet, von denen jedes einen Teil der verteilten Paritätsdaten speichert, falls eines der anderen Laufwerke ausfällt (RAID 5).

Die RAID-Fehlerkorrekturmethode folgt demselben Prinzip wie Standard-RAID für Speicherlaufwerke in RAID 5. Anstatt die Daten auf die Laufwerke zu verteilen, verteilt DIE-RAID die Daten auf verschiedene Blöcke und fügt jedem Satz einen Paritätspuffer hinzu. Die RAID-Engine, die sich im Controller befindet, entscheidet, wie die von der SSD empfangenen Daten zu speichern sind. Die Engine konstruiert die RAID-Stripes und führt auch die RAID-Wiederherstellung durch, wenn Fehlerbits erkannt werden und andere ECC-Funktionen das Problem nicht beheben konnten. Sobald der Befehl zum Lesen von Daten gesendet wird, durchläuft er zunächst die LDPC-Engine. Unabhängig davon, ob die Daten korrekt sind, oder ein oder mehrere Fehlerbits von der LDPC-Engine korrigiert wurden, werden die Daten ohne Probleme gelesen. Wenn die LDPC-Engine nicht in der Lage ist, das Fehlerbit zu korrigieren, führt die RAID-Engine einen RAID-Neuaufbau durch, um den Fehler zu korrigieren. Gelingt es ihr nicht, den Fehler zu korrigieren, wird der Block als fehlerhaft markiert. Dies bedeutet, dass DIE-RAID als zusätzliche Schicht gegen Fehlerbits fungiert und letztendlich die Lebensdauer jeder SSD entscheidend verbessert.

DIE-RAID nutzt zur sicheren Fehlerkorrektur einen reservierten Teil der SSD-Kapazität. Vor allem im industriellen Bereich trägt diese Funktion erheblich dazu bei, die Lebensdauer zu erhöhen und eine verbesserte Datenintegrität zu gewährleisten. Somit verzögert DIE-RAID, aufgrund der zusätzlichen Entscheidungsebene bei der Bestimmung der Bitwerte, das Einsetzen wiederholter Lesevorgänge. Dies bedeutet eine Verbesserung der Datenintegrität und eine stabilere, erhöhte Lebensdauer des Geräts. Geeignet für alle Anwendungen, die einen hohen Datendurchsatz fordern und stellt dort eine langfristig kontinuierliche Leistung der SSD sicher.