Ein Vorteil von eMMCs ist die Tatsache, dass sie von der JEDEC Association standardisiert sind. Dadurch sind z. B. Pin-Layout, Registerbezeichnungen und -nutzung, Stromversorgung und Controller-Funktionen festgelegt und die gemanagten Speicher sind rückwärtskompatibel. Jede Aktualisierung des Standards erhält eine neue Nummer, die anzeigt, dass diese eMMC-Generation die Merkmale der vorigen plus neue, verbesserte unterstützt.
Ab JEDEC 5.0 unterstützt die eMMC-Firmware einen sogenannten "Service Health Report“, der den Designprozess, aber auch die Wartung im Feld unterstützt. Ähnlich der von SSDs und HDDs bekannten S.M.A.R.T.-Funktionalität, liefert er grundlegende Daten zum aktuellen Zustand der Flash-Zellen innerhalb der eMMC. Damit verfügt der Host über Informationen zu den verbleibenden Schreib-/Löschzyklen und zum Gesamtstatus des Flash-Speichers der eMMC basierend auf den verbleibenden Reserveblöcken.
Es liegen also Live-Informationen über den Zustand des Speichers vor, nachdem er bereits für eine bestimmte Zeit unter bestimmten Bedingungen verwendet wurde. Sie können als Grundlage dienen, um im Labor die zu erwartende Nutzung im Feld über Jahre hinweg zu simulieren und zu lernen, wie dies die Langlebigkeit der Daten beeinflusst.
Dank Standardisierung lässt sich ein Design, das für eine ältere eMMC-Version entworfen wurde, auch für die neueste Generation nutzen. Die neuen Features oder Schnittstellenoptionen der jüngeren Generation sind dann zwar nicht verfügbar, aber alle Merkmale der älteren sind auch in der neuen Generation implementiert – ideal für Anwendungen mit langen Entwicklungszyklen.
Ein mögliches Hindernis kann jedoch der Treiber der MMC-Schnittstelle auf dem Host sein. Dieser fragt möglicherweise zunächst nach der JEDEC-Version der eMMC und bricht ab, wenn er die Eingabezahl nicht erkennt. Das lässt sich vermeiden, indem der Treiber aktualisiert wird.
Da auch die Pinbelegung standardisiert ist, können Entwickler frei zwischen den verschiedenen Gehäuseversionen und Speicherdichten wählen. Für Standard-Temperatur-eMMC ist das 11,5 x 13 mm BGA die typische Gehäusegröße. Kioxia bietet für die 4 GB eMMC zusätzlich ein kleineres BGA-Gehäuse mit 11 x 10 mm an.
Temperatur beeinflusst den Datenerhalt
Die erste Frage, die beim Design zu beantworten ist, ist jedoch: Welche Speicherdichte ist für die Daten in der Kundenanwendung erforderlich? eMMC sind in Kapazitäten zwischen 4 und 128 GB auf dem Markt verfügbar.
Dann ist es sehr wichtig, die Umgebungstemperatur zu berücksichtigen, in der die eMMC eingesetzt werden soll. Die Standard-Betriebstemperatur beträgt -25 bis +85 °C. Für Anwendungen, bei denen das nicht ausreicht, z. B. Computer-on-Module (CoM), die in sehr unterschiedlichen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können, oder Power-Inverter für Solaranlagen, bietet Kioxia eMMC mit erweitertem Temperaturbereich von -40 bis +105 °C in Kapazitäten zwischen 8 und 64 GB an.
Allerdings gibt der Temperaturbereich nur die Betriebstemperatur für die eMMC an, nicht jedoch, wie lange die Daten erhalten bleiben. Wird die eMMC sehr oft und lange bei deutlich über 40 °C betrieben, ist es dringend ratsam, mit dem Hersteller über den individuellen Anwendungsfall zu sprechen. Dadurch kann ausgeschlossen werden, dass sich der Datenerhalt überraschend verkürzt.
Ein anderer Weg, um die Daten robuster gegenüber höheren Temperaturen zu machen, ist die Verwendung der Enhanced User Data Area, auch „Pseudo-SLC“-Modus genannt. Die Enhanced User Data Area steht ab dem eMMC-Standard 4.4 zur Verfügung und macht den betreffenden Speicherbereich zuverlässiger und leistungsfähiger. Zu beachten ist dabei, dass sich die verfügbare Gesamtdichte dadurch verringert.
Die Enhanced User Data Area verbessert die Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Beständigkeit (Endurance) einer eMMC, indem nur ein statt zwei Bit pro Zelle genutzt wird.
Datenübertragungsgeschwindigkeit erhöhen
Verlangt die Anwendung eine bestimmte Datenübertragungsgeschwindigkeit, sind mehrere Punkte zu berücksichtigen. Dabei muss man wissen, dass es eine Beziehung zwischen der Speicherdichte und der Schreib-/Leseleistung einer eMMC gibt. Ist für die Anwendung ein höherer Datendurchsatz erforderlich als ein Standard-eMMC anbietet, stehen folgende Optionen zur Wahl:
A) Soll hauptsächlich die Lesegeschwindigkeit verbessert werden, ist der Wechsel von der HS200- zur HS400-Schnittstelle eine Möglichkeit. HS400 ist jedoch erst ab JEDEC 5.0 verfügbar und benötigt einen zusätzlichen Pin für die Schnittstelle.
B) Soll hauptsächlich die Schreibgeschwindigkeit verbessert werden, ist der Wechsel zur Enhanced User Data Area eine effiziente Lösung. Allerdings gilt es auch hier zu beachten, dass sich dadurch die verfügbare Dichte verringert.
Datenerhalt ermitteln und verlängern
Der Datenerhalt wird vor allem von zwei Faktoren beeinflusst: der Anzahl der Schreib-/Löschzyklen während der Lebensdauer und der Betriebstemperatur. Ein MLC-basierter NAND-Flash in einer eMMC bietet rund 3.000 Schreib-/Löschzyklen bei 40 °C. Ob dies für die erwartete Lebensdauer eines Produkts, in dem die eMMC verwendet wird, ausreicht, hängt stark vom Nutzungsszenario ab. Bei der Kalkulation der erwarteten Lebensdauer des Speichers muss zudem der WAF (Write Amplification Factor) berücksichtigt werden. Die Formel lautet:
Das Ergebnis ist allerdings kein belastbarer Wert, sondern nur eine Näherung, weil der tatsächliche Datenerhalt auch von der individuellen Nutzung des einzelnen Geräts abhängt. Ist auf Grundlage dieser Berechnung davon auszugehen, dass die Lebensdauer der eMMC in dem angenommenen Nutzungsszenario nicht der erwarteten Lebensdauer des Produkts entspricht, gibt es zwei Möglichkeiten, diese zu verlängern:
A) Auch hierfür kann die Enhanced User Data Area genutzt werden. Dadurch erhöht sich die Anzahl der verfügbaren Schreib-/Löschzyklen im Vergleich zum normalen Modus um das Zehnfache (bei 40 °C). Es gilt jedoch auch hier: Die verfügbare Dichte reduziert sich dadurch.
B) Die Wahl einer eMMC mit höherer Dichte. Je mehr Dichte zur Verfügung steht, desto mehr Fläche besitzt der Speicher-Controller für das Wear Levelling. Das bedeutet weniger Stress durch die Schreib-/Löschzyklen für die einzelnen Zellen.
eMMC in der Produktion
Ist das Design fertig, gibt es beim Produktionsprozess einen weiteren Aspekt zu beachten, wenn die Daten vor dem Reflow- bzw. Lötprozess auf den Speicher geladen werden sollen. Mit einer Temperatur von ca. 260 °C setzt der Lötprozess die NAND-Zelle extremem Stress aus. Das kann sich negativ auf den Datenerhalt auswirken oder gar zum Datenverlust führen. Um das zu vermeiden, hat Kioxia eine spezielle Firmware-Funktion entwickelt. Dabei gibt es nur Einschränkungen hinsichtlich der maximalen Datengröße, die mit dieser Funktion verarbeitet werden kann.
Werden diese Überlegungen beim Designprozess berücksichtigt, erhalten Designer eine langlebige, hochleistungsfähige und zuverlässige Speicherlösung auf Basis von eMMC.
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