Welche ist die richtige industrielle Flashcard für den Langzeitgebrauch?

Jeder Ingenieur hat einen gesunden Vorrat an microSD-Karten zur Hand. Meine waren auf meinem Schreibtisch an verschiedenen Stellen verstreut. Wenn ich eine microSD-Karte für ein Telefon, ein Tablet oder einen Einplatinencomputer (SBC) brauchte, tauchte auf mysteriöse Weise eine auf, wie Batman. Mein System funktionierte bis zum „großen Schreibtischstaubsauger-Vorfall von 2019“ einwandfrei, als eine 16 Gigabyte große microSD-Karte mit einer experimentellen Linux-Distribution plötzlich verschwand. Sie war nicht im Staubsaugerbeutel, also nehme ich an, dass sie sich jetzt in jener verborgenen Dimension der Raumzeit befindet, in die nicht ersetzbare Schrauben und Rollen von Isolierband verschwinden.

Das führte natürlich dazu, dass ich alle meine microSD-Karten an einem Ort aufbewahrte, und als Ingenieur, der ich bin, musste ich meine Flashcards natürlich klassifizieren und kategorisieren. Anfangs war ich versucht, sie nach Speichergröße zu ordnen, aber als ich mir meine ungeordnete Sammlung ansah, entschied ich mich für eine andere Strategie.

Anstelle der Größe sah ich, welche microSD-Karten mir gute Dienste geleistet hatten und welche aufgrund von Datenbeschädigungen ausgefallen waren. Ich begann, die Karten zu recherchieren, und als ich mir die Bewertungen der Karten ansah, fand ich im Internet eine Menge Fehlinformationen. Mein Verdacht kam auf, als ich feststellte, dass die microSD-Karten, die ich hatte und die der Datenbeschädigung zum Opfer fielen, oft die schnellsten waren und von „unparteiischen“ Prüfern im Internet am besten bewertet wurden. Also habe ich, wie jeder gute Ingenieur, meine eigenen Nachforschungen angestellt und herausgefunden, dass bei microSD-Speicherkarten, wie im Leben, das, was nicht gesagt wird, viel wichtiger ist als das, was gesagt wird.

Grundlagen zu Flash-Speichertypen

Um Flash-Speicher zu verstehen, müssen wir uns die Halbleiterstruktur der Speicherzelle ansehen. Single-Level-Cell-Flash (SLC) besteht aus einem Bit pro Zelle (Abbildung 1). Multi-Level-Cell-Flash (MLC) bezieht sich auf mehrere Bit pro Zelle, was in Wirklichkeit zwei Bit pro Zelle bedeutet. Ich halte dies für einen Marketingfehler, der Folgen hat, auf die ich später noch eingehen werde. Triple-Level-Cell-Flash (TLC) hat drei Bit pro Zelle und Quad-Level-Cell-Flash (QLC) hat vier Bit pro Zelle.

Abbildung 1: Flash-Speichertypen werden nach der Anzahl der Bit pro Zelle unterschieden, wobei sich die Anzahl der Bit von SLC bis QLC erhöht. (Bildquelle: Micron Technology)

Je mehr Bit ein Flash-Array in einer Zelle unterbringen kann, desto kleiner ist das Flash-Array und desto günstiger ist der Speicherbaustein. Diese Verkleinerung hat jedoch ihren Preis. Je kleiner der Bitspeicher ist, desto weniger Programm-/Löschzyklen (P/E) kann die Flash-Zelle verkraften, was sie anfällig für Störungen macht. Wenn mehrere Bit pro Zelle platziert und mit einem Cache-Flash-Speicher-Controller adressiert werden, können sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht werden, aber das Speicherarray verbraucht auch mehr Strom beim Lesen und Schreiben. Dies wurde wichtig, als ich feststellte, dass ich mit allen SLC- und echten MLC-microSD-Karten nie Probleme hatte.

Ich verwende den Begriff „echter“ MLC, da sich diese Bezeichnung mit zwei Bit/Zelle technisch gesehen auf mehrere Bit bezieht. Einige weniger seriöse Hersteller von Flash-Speicherprodukten, die nicht von autorisierten Elektronikhändlern vertrieben werden, bezeichnen ihre TLC- und QLC-Produkte gerne als MLC, nach dem Motto: „Hey, das sind doch mehrere Bits, oder?“

Über den Stromverbrauch von microSD-Speicherkarten wird nicht viel gesprochen. Die Hersteller von Speicherkarten für Endverbraucher veröffentlichen selten den Stromverbrauch ihrer Geräte. Wenn Sie also Speicherkarten für ernsthafte Arbeiten verwenden, sollten Sie diesen Parameter unbedingt überprüfen. Es bedurfte einiger detektivischer Arbeit, aber ich fand heraus, dass alle microSD-Karten, die ich besaß und bei denen es zu Datenverlusten kam, am oberen Ende des Stromverbrauchsbereichs lagen, und dazu gehörten auch einige der schnellsten Karten.

Wenn Sie also eine Flashcard in einem Einplatinencomputer (SBC), wie z. B. einem Raspberry Pi 3 Model A+ (Abbildung 2), verwenden, sollten Sie den niedrigen Stromverbrauch auf Ihrer Liste der wünschenswerten Eigenschaften hervorheben, wenn das Board unbeaufsichtigt an einem abgelegenen Ort betrieben wird; regelmäßige Wartungsprüfungen sind möglicherweise nicht möglich, um das Verhalten der Flashcard zu untersuchen. Die schnellste Karte oder die Karte mit der höchsten Speicherdichte ist auf lange Sicht nicht unbedingt die zuverlässigste Lösung.

Abbildung 2: Bei der Auswahl einer microSD-Karte für einen Einplatinencomputer wie den Raspberry Pi 3 Model A+ sollten Sie auf einen niedrigen Stromverbrauch achten, da dieser mit einer höheren Zuverlässigkeit korreliert. (Bildquelle: Raspberry Pi)

Ein Beispiel für eine zuverlässige Flash-Karte für den industriellen Einsatz ist die 4-GByte-microSD-Karte S304TLNJM-U1000-3 von Delkin Devices (Abbildung 3). Es handelt sich um eine SLC-Flashkarte mit einem weiten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C, was sie für raue Industrieumgebungen geeignet macht. Während bei microSD-Karten üblicherweise eine Datenaufbewahrung von drei oder sogar fünf Jahren angegeben wird, ist diese 4-GByte-SLC-Flashkarte für eine Datenaufbewahrung von 10 Jahren gut - sehr hoch für eine microSD-Karte.

Abbildung 3: Die S304TLNJM-U1000-3 ist eine 4-GByte-SLC-MicroSD-Flashkarte für den industriellen Einsatz mit ungewöhnlich niedrigem Stromverbrauch und einer hohen Datenhaltezeit von 10 Jahren. (Bildquelle: Delkin Devices)

Der Stromverbrauch der Karte S304TLNJM-U1000-3 ist ungewöhnlich niedrig. Der Lesestrom ist mit <50 Milliampere (mA) (typisch) angegeben, was viel niedriger ist als der Lesestrom der meisten Karten in der Verbraucherelektronik. Der Schreibstrom ist mit <100 mA (typisch) angegeben, was ebenfalls deutlich unter dem von Karten im Verbraucherbereich liegt. Der Schreibstrom ist wichtig für batteriebetriebene Knoten im Internet der Dinge (IoT), die den Flash-Speicher möglicherweise systemintern aktualisieren müssen. Der Leerlaufstrom beträgt <0,500 mA (typisch), was bei batteriebetriebenen IoT-Knoten von entscheidender Bedeutung ist, da eine microSD-Karte in einigen Anwendungen viel mehr Zeit im Leerlaufmodus als im Betrieb verbringen kann.

All dies trägt zu einer sehr hohen Lebensdauer von 60.000 P/E-Zyklen bei. Es ist schwierig, diese Zahlen mit denen der Konkurrenz zu vergleichen, da viele Hersteller diese Zahlen nicht veröffentlichen, und wenn sie es tun, muss man die Bedingungen genau lesen. So hört sich zum Beispiel die 50-jährige Datenspeicherung einer anderen Karte gut an, bis man merkt, dass sie nur dann gilt, wenn die Karte während des Speicherzeitraums nie wieder beschrieben wird. Delkin Devices ist sehr spezifisch; es gibt an, dass die Daten des S304TLNJM-U1000-3 10 Jahre aufbewahrt werden, wenn 10 % der angegebenen 60.000 P/E-Zyklen verwendet werden.

Fazit

Es ist klar, dass nicht alle microSD-Karten gleich sind. Wählen Sie daher sorgfältig aus, insbesondere für eingebettete Systeme, die möglicherweise viele Jahre lang unbeaufsichtigt betrieben werden müssen und bei denen die Wahrscheinlichkeit von Wartungsprüfungen für die Speichererhaltung gering ist. SLC-Speicher haben für diese speziellen Anwendungen viele Vorteile.

Die Spezifikationen erinnern mich an einen weisen Spruch aus The Worker's Dilemma, der besagt: „Was man nicht tut oder sagt, ist immer wichtiger als das, was man tatsächlich tut oder sagt.“