So meistern Sie die Herausforderungen bei der Beschaffung von Flash-Speicher

Beschaffungsschwierigkeiten in der Elektronikindustrie sind nicht neu. Naturkatastrophen wie Taifune, Wirbelstürme und Erdbeben beeinträchtigen jedes Jahr die Halbleiterfertigungs- und Montageindustrie auf der ganzen Welt. Während die Personalkosten bewertet und Reaktionsteams mit der Bereitstellung von Support und Unterstützung beauftragt werden, müssen die Einkaufs- und Verkaufsteams zusammenarbeiten, um das Ausmaß der geschäftlichen Auswirkungen zu bestimmen. Aufgrund der starken Spezialisierung der einzelnen Produktionsstätten sind oft nur bestimmte Halbleiter- oder Verpackungsgeräte betroffen. Die Stärke der Lieferkette ist so groß, dass diejenigen, die Komponenten über Distributoren liefern, diese Auswirkungen manchmal nicht spüren. Seit der Ankunft des Coronavirus Anfang 2020 und der Einführung von Initiativen zur Bekämpfung seiner Ausbreitung gab es jedoch eine Reihe von Kettenreaktionen, die die Versorgung mit Halbleitern erheblich beeinträchtigt haben.

Warum ist dieser Mangel an Angebot aufgetreten?

Durch die Einführung von Beschränkungen zur Begrenzung des zwischenmenschlichen Kontakts waren viele Fertigungsunternehmen gezwungen, vorübergehend zu schließen. Gleichzeitig ging die Nachfrage nach hochwertigen Produkten wie privaten und gewerblichen Produkten zurück, da die Verbraucher begannen, mit wirtschaftlichen Unsicherheiten zu rechnen. Von diesen Änderungen betroffene Branchen stornierten Halbleiterbestellungen. Gleichzeitig, als alle von zu Hause aus lernten und arbeiteten, stieg die Nachfrage nach Produkten wie Tablets, Monitoren und Laptops sprunghaft an. Mit diesen neuen Aufträgen haben die Halbleiterzulieferer ihre Produktionskapazitäten an ihre Grenzen gebracht, um auf diese Nachfrage zu reagieren. Als die Sperrbeschränkungen gelockert wurden, entstand eine Situation, in der stornierte Bestellungen an Fabriken zurückgeschickt wurden, die bereits mit voller Kapazität arbeiteten. Die Herstellung komplexer Halbleiterbauelemente dauert in der Regel mehrere Monate, sodass der Wafer-Produktionsprozess erst beginnt, wenn genügend Bestellungen für ein bestimmtes Produkt geplant sind. Derzeit bemüht sich die Branche, die Fertigung zu priorisieren, um möglichst viele Kunden zufrieden zu stellen, aber trotzdem ist es nicht möglich, alle zu beliefern.

Dies hat Einkaufsteams und Konstrukteure dazu veranlasst, zusammenzuarbeiten, um geeignete Minderungsstrategien zu evaluieren. Hochspezialisierte Halbleiterbauelemente wie Mikrocontroller und fortschrittliche analoge Lösungen sind schwer zu ersetzen. Flash-Speicher mit ihren standardisierten Pinbelegungen und Schnittstellen scheinen jedoch zumindest theoretisch ein weniger komplizierter Kompromiss zu sein. Die Schwierigkeiten liegen aber wie immer im Detail, und wenn im Entwicklungsprozess ein Fremdgerät nicht zugelassen wird, reicht ein einfacher Geräteersatz wahrscheinlich nicht aus. Selbst wenn ein alternativer Flash-Speicher beim ersten Versuch funktioniert, kann es versteckte Probleme geben, die zu einem vorzeitigen Ausfall vor Ort aufgrund von größerer Abnutzung als erwartet führen.

SLC-NAND

SLC NAND Flash, das sowohl mit seriellen als auch mit parallelen Schnittstellen erhältlich ist, bietet ein relativ hohes Maß an herstellerübergreifender Kompatibilität. Auf physikalischer Ebene sollte die Bestückung von Pins und Packs gleich sein, wobei die Lötbarkeit und Eignung der Rollen für Bestückungsgeräte noch zu prüfen wäre. Auf der Ebene der Hardwareschnittstelle verwendet Serial NAND SPI. Aufgrund der unterschiedlichen Möglichkeiten, wie die Schnittstelle in Mikrocontrollern (MCUs) und Systems-on-Chips (SoCs) implementiert werden kann, sollte ein grundlegender Testaufbau aufgebaut werden, um den Zugriff auf Flash-Speicher sicherzustellen. Das Gleiche gilt für parallele NAND-Flash-Speicher, bei denen das Timing der Signale möglicherweise mithilfe interner Register der MCU oder des SoC angepasst werden muss.

Und das bringt uns zur nächsten Herausforderung, der Software. Wenn der Anwendungscode bei der Handhabung der Schnittstelle mit Low-Level-Controllern und bei der Handhabung der spezifischen Details des externen Speichers und des Dateisystems mit High-Level-Controllern bewährten Verfahren gefolgt ist, sollten alle Änderungen am Code relativ einfach sein. Optimierungen erfordern möglicherweise das Hinzufügen zusätzlicher Protokollierungsunterstützung oder das Ändern des Codes, um eine völlig andere Protokollierungsimplementierung zu unterstützen. Geräte wie die serielle NAND-Schnittstelle von Kioxia verfügen über ECC-Unterstützung (Hardware Error Correcting Code), die ein- oder ausgeschaltet werden kann. Die Standardeinstellung des aktivierten ECC oder die spezifische Methode zum Ausschalten stimmt möglicherweise nicht mit der des zu ersetzenden Geräts überein. Geräte wie BENAND™ von Kioxia verfügen über einen integrierten ECC, der eine 8-Bit-Fehlerkorrektur und eine 9-Bit-Fehlererkennung ermöglicht. Der parallele SLC-NAND des neuesten 24-nm-Technologieknotens von Kioxia ist jedoch auf einen Host-Prozessor angewiesen, um 8-Bit-ECC für jeden 512-Byte-Speicherblock zu generieren.

Wenn 5 oder 6 falsche Bits erkannt werden, kümmert sich die Firmware darum, den gesamten Block neu zu schreiben. Es ist unnötig zu erwähnen, dass dieser Prozess die Speicherabnutzung erhöht, selbst wenn keine Schreiboperationen auf Anwendungsebene an der Software durchgeführt wurden. Das Engineering-Team muss die Datenblätter des ursprünglich ausgewählten Flash-Speichers sorgfältig mit der Ersatzlösung vergleichen, um zu verstehen, wie sich diese zusätzlichen Speicherschreibvorgänge auf die Lebensdauer des Flash-Speichers auswirken.

Managed Flash: e-MMC und UFS

Mit dem höchsten Standardisierungsgrad in der Welt der verwalteten Flash-Geräte ist es etwas einfacher, den Anbieter für e-MMC- und UFS-Speicher zu wechseln. Der JEDEC-Standard JESD84-B51A, Version 5.1a, definiert die Eigenschaften und die elektrische Schnittstelle des e-MMC. Es wird 2019 auf den Markt kommen und es wird nicht erwartet, dass es in Zukunft weitere Änderungen erfahren wird, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Problemen mit der physischen Interoperabilität zwischen SoCs und Speicher verringert wird.

e-MMC-Geräte bieten getrennte Schreib- und Löschzyklusregister für ihre „geboosteten“ (pSLC) und „normalen“ (MLC/TLC) Blöcke. Allerdings erhöhen sich diese „Gesundheitsstatus“-Aufzeichnungen nur in 10%-Schritten, was nicht sehr granular ist.

Darüber hinaus bieten diese Informationen nur Hinweise zur Speichergesundheit. Das Lesen von „100 % gebraucht“ in diesem Protokoll bedeutet nicht, dass das Flash-Gerät nicht funktioniert, genauso wenig wie ein billiger Markenreifen nicht darauf hinweist, dass ein Unfall bevorsteht. Es zeigt einfach an, dass eine Katastrophe wahrscheinlicher ist.

Der UFS ist moderner und verfügt seit Anfang 220 über den JEDEC JESD3.1E-Standard, auch bekannt als Version 2020. Dank seiner deutlich höheren Leistung hat er sich schnell als bevorzugte Speicheroption im mobilen Bereich etabliert und gewinnt Marktanteile im Automobilbereich (Abbildung 1). Zu einer Zeit, in der Entwickler mehr über den Zustand ihres Speichers erfahren möchten, um die Benutzererfahrung zu verbessern, wird erwartet, dass der Standard weiterhin aktualisiert wird, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.

Obwohl ein anfänglicher physischer Austausch von Flash-Speichermedien gute Ergebnisse erzielen kann, ist es notwendig zu verstehen, wie der interne Controller mit Daten umgeht. Während die Anwendung nur eine bestimmte Anzahl von Datenschreibvorgängen ausführen kann, kann der Flash-Treiber zusätzliche Datenentfernungen und Seitenschreibvorgänge verursachen, indem er versucht, ungenutzten Totraum neu zu organisieren (Abbildung 2). Die Diskrepanz zwischen Anwendungsschreibvorgängen durch das Host-SoC und den Schreibvorgängen in den Raw-Flash-Zellen wird als Write Amplication Factor (WAF) bezeichnet. Ein perfekter WAF wäre 1, aber ein guter Zielwert für eine typische Anwendung ist 4 (Abbildung 3).

Die genaue Art und Weise, wie Host-Schreibvorgänge in Flash-Zellenschreibvorgänge übersetzt werden, hängt vom Flash-Speicheranbieter ab. Auch wenn die Arbeitslast möglicherweise während des Kaufs der ursprünglichen Flash-Speicherlösung bewertet wurde, muss der Testprozess mit dem ausgewählten neuen Geräteanbieter wiederholt werden.

Suchen Sie Unterstützung und erhalten Sie sie schnell

Aufgrund der hohen Kompatibilität auf Pin- und Paketebene und einer Standardisierung bzw. Ähnlichkeit in der Flash-Speicher-Verbindung kann schnell davon ausgegangen werden, dass die Bereitstellung eines alternativen Geräts problemlos möglich sein wird. Die Realität sieht jedoch ganz anders aus. Die Standardisierung vereinfacht den Prozess erheblich, aber Sie müssen die feinen Hardwareunterschiede verstehen, die auf den Gerätedatenblättern nicht immer sichtbar sind. Im Falle zukünftiger Versorgungsprobleme wird dringend empfohlen, sich so schnell wie möglich an Flash-Anbieter zu wenden, um Ihre Bedürfnisse zu besprechen. Engineering-Teams können Workload-Traces analysieren und Anleitungen zu notwendigen Änderungen geben, wenn sie den Anbieter von Speichergeräten wechseln. Darüber hinaus können die Handelsteams Sie auch zu Lieferzeiten beraten. Da die Vorlaufzeit von Flash-Speichern Monate beträgt, werden Lieferanten es zu schätzen wissen, wenn sie Vorabinformationen zu ihren Anforderungen haben, um sicherzustellen, dass Sie die gewünschten Produkte erhalten, wenn Sie sie brauchen.