Blog – Welche ist die beste Industrielle µSD-Karte für den Langzeitgebrauch?
Von: Bill Giovino
2021-09-02
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 Mobiltelefon, ein Tablet oder einen Einplatinencomputer (SBC) brauchte, tauchte eine auf mysteriöse Weise auf, wie Batman. Mein System funktionierte bis zum “Great Desk Vacuum Incident of 2019” einwandfrei, als eine 16 GigaByte (GByte) microSD-Karte mit einer experimentellen Linux-Distribution plötzlich verschwand. Sie befand sich nicht im Staubsaugerbeutel, also nehme ich an, daß sie sich jetzt in jener verborgenen Dimension des Raum-Zeit-Kontinuum befindet, in die nicht austauschbare Schrauben und Rollen von Isolierband auch verschwinden.
Das hat mich natürlich dazu gebracht, alle meine microSD-Karten an einem Ort aufzubewahren, 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 näher 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 Datenverlust ausgefallen waren. Ich begann, die Karten zu recherchieren, und als ich mir die Bewertungen von Speicherkarten ansah, stieß ich im Internet auf eine Menge Fehlinformationen. Ich wurde mißtrauisch, als ich sah, daß die µSD-Karten, die ich besaß und die der Datenverlust zum Opfer fielen, oft die schnellsten waren und von “unparteiischen” Bewertern im Internet am Besten bewertet wurden. Wie jeder gute Ingenieur stellte ich also meine eigenen Nachforschungen an und fand heraus, daß bei microSD-Flash-Karten – wie im richtigen Leben – das, was nicht gesagt wird, viel wichtiger ist als das, was wirklich öffentlich gemacht wird.
Grundlagen der Flash-Speichertypen
Um Flash-Speicher zu verstehen, müssen wir uns die Halbleiterstruktur der Speicherzelle ansehen. Single-Level-Cell (SLC)-Flash-Speicher hat ein Bit pro Zelle (Abbildung 1). Multi-Level Cell (MLC)-Flash bezieht sich auf mehrere Bits pro Zelle, was in Wirklichkeit zwei Bits pro Zelle bedeutet. Ich halte dies für einen Marketingfehler, der Konsequenzen hat, auf die ich später eingehen werde. Triple-Level Cell (TLC) hat drei Bits pro Zelle und Quad-Level Cell (QLC) Flash hat vier Bits pro Zelle.
Abbildung 1: Flash-Speichertypen werden nach der Anzahl der Bits pro Zelle unterschieden, wobei sich die Anzahl der Bits von SLC bis QLC erhöht. (Bildquelle: Micron Technology)
Je mehr Bits ein Flash-Array in einer Zelle unterbringen kann, desto kleiner ist das Flash-Array und desto preiswerter ist das Speicherbauteil. Diese Größenreduzierung hat jedoch ihren Preis. Je kleiner die Speicherbits sind, desto weniger Programm-/Löschzyklen (P/E) kann die Flash-Zelle überstehen, was sie anfällig für Ausfälle macht. Wenn man mehrere Bits pro Zelle platziert und sie mit einem Cache-Flash-Speicher-Controller adressiert, 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 “echtes” MLC, da sich diese Bezeichnung mit zwei Bits pro Zelle technisch gesehen auf mehrere Bits 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 den Endverbraucher geben den Stromverbrauch ihrer Speichermedien nur selten an. Wenn Sie also Flashcards für ernsthafte Arbeiten verwenden, sollten Sie diesen Parameter unbedingt überprüfen. Es hat mich einiges an Detektivarbeit gekostet, aber ich habe herausgefunden, daß alle microSD-Karten, die ich besaß und bei denen es zu Datenverlusten kam, am oberen Ende des Stromverbrauchsbereichs lagen, und das galt auch für einige der schnellsten Karten.
Wenn Sie also eine Flashkarte in einem Einplatinencomputer (SBC), wie z. B. einem RASPBERRY PI 3 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 Flashkarte zu untersuchen. Die schnellste Karte oder die Karte mit der höchsten Speicherkapazität ist auf lange Sicht möglicherweise nicht die zuverlässigste Lösung.
Abbildung 2: Bei der Auswahl einer microSD-Karte für einen SBC 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 Flashkarte für den industriellen Einsatz ist die S304TLNJM-U1000-3 4 GByte microSD-Karte von Delkin Devices (Abbildung 3). Hierbei handelt es sich um eine SLC-Flashkarte mit einem weiten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C, wodurch sie für raue Industrieumgebungen geeignet ist. Während für microSD-Karten üblicherweise eine Datenaufbewahrung von drei oder sogar fünf Jahren angegeben wird, bietet diese 4-GByte-SLC-Flashkarte eine Datenaufbewahrung von 10 Jahren, was für eine microSD-Karte sehr hoch ist.
Abbildung 3: Die S304TLNJM-U1000-3 ist eine 4-GByte-SLC-MicroSD-Flashkarte für den industriellen Einsatz mit ungewöhnlich niedrigem Stromverbrauch und einer hohen Datenerhaltungsrate von 10 Jahren. (Bildquelle: Delkin Devices)
Der Stromverbrauch der S304TLNJM-U1000-3-Karte ist ungewöhnlich niedrig. Die Stromaufnahme beim Lesen ist mit <50 Milliampere (mA) (typisch) angegeben, was viel niedriger ist als der Lesestrom der meisten Consumer-Karten. Der Schreibstrom ist mit <100 mA (typisch) spezifiziert, was ebenfalls deutlich niedriger ist als bei Consumer-Karten. Der Schreibstrom ist wichtig für batteriebetriebene Internet of Things (IoT)-Knoten, die den Flash-Speicher möglicherweise systemintern aktualisieren müssen. Der Leerlaufstrom beträgt <0,500 mA (typisch), was für batteriebetriebene 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 Ausdauer von 60.000 P/E-Zyklen bei. Es ist schwierig, diese Zahlen mit konkurrierenden Flashkarten zu vergleichen, da viele Hersteller diese Zahlen weder angeben noch veröffentlichen, und wenn sie es tun, muss man die Bedingungen genau lesen. So klingt beispielsweise die Angabe einer anderen Karte, daß die Daten 50 Jahre lang gespeichert werden können, ganz nett, bis man merkt, daß dies nur gilt, wenn die Karte während des gesamten Speicherzeitraums nie wieder beschrieben wird. Delkin Devices ist hier sehr genau; sie geben an, daß die Daten auf der S304TLNJM-U1000-3 für 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 laufen müssen und bei denen die Wahrscheinlichkeit von Wartungsprüfungen für die Speichererhaltung gering ist. SLC-Speicher hat für diese speziellen Anwendungen viele Vorteile.
Die Spezifikationen erinnern mich an ein weises Sprichwort aus “The Worker’s Dilemma“, das besagt: “Was man nicht tut oder sagt, ist immer wichtiger als das, was man tatsächlich tut oder spricht.”
Etwas zu viel des Guten sind preislich wahrscheinlich diese 4-GB-Alternativen
Der Vollständigkeit halber seien noch diese zwei Rolls-Royce-artigen Speicherkarten erwähnt:
SFSD4096N1BM1MT-I-DF-2A1-STD von Swissbit mit 1A Schweizer Zuverlässigkeit sowie
AP-MSD04GIHI-T von Apacer Memory America, d.h. mit exzellenter Amerikanischer Qualität.
Wenn Sie also Datensicherheit als maximales Auswahlkriterium sehen, werden Sie an diesen 100%ig Industrietauglichen Speicherkarten der Klasse 10 Geschwindigkeit mit einer spezifizierten Betriebstemperatur von -40°C bis 85°C nicht vorbei kommen ….
