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Technische Kurzanleitung

E100: Tantal-Kondensatoren

Wir erleben seit einigen Jahren die stetige Zunahme von Solid-State-Laufwerken (SSDs) sowohl im privaten als auch im Unternehmensbereich. SSDs halten Erschütterungen besser aus, verbrauchen weniger Strom, lasten die Speicherkapazität effizienter aus, und sorgen für eine längere Lebensdauer, schnellere Zugriffszeiten und eine höhere Lese- und Schreibleistung.

Jedoch kann auch bei SSDs, wie bei jedem anderem Speichermedium auf Flashbasis, die Korruption von Daten und Systemdateien durch plötzlichen Stromausfall ausgelöst werden. Kingston® unterzieht seine Laufwerke sehr strengen zyklische Leistungsprüfungen, bei denen wir die Stromzufuhr zum Laufwerk geplant unterbrechen, um die Auswirkungen auf Benutzerdaten und Systemdateien zu analysieren. Wir möchten dadurch erreichen, dass Kunden auf Benutzerebene einen eventuellen Stromausfall unbeschadet überstehen. Sie dürfen diese jedoch nicht als Einverständnis verstehen, selbst zyklische Leistungsprüfungen durchzuführen, da dies Datenverlust ähnlich wie bei herkömmlichen Festplatten zur Folge haben kann. Dies hängt vor allem davon ab, welchen Prozess das Laufwerk im Moment des Stromausfalls durchgeführt hat.

Als Kingston Engineering das Konzept ihrer ersten SSD in Serverklasse festlegte, haben wir unsere Unternehmenskunden befragt, welche Funktionen sie implementiert haben möchten, und mechanischer Schutz gegen Stromausfall stand weit oben auf der Liste. Für den umfassenden Schutz von Daten ist ein effektiv wirkender Schutzmechanismus gegen Stromausfall erforderlich, der sowohl vor als auch nach einer Stromunterbrechung funktioniert.

Die meisten Hostsysteme lösen beim normalen Herunterfahren einen Befehl (der Befehl STANDBY IMMEDIATE) an eine SSD aus, die sie rechtzeitig auf das Herunterfahren vorbereitet. Dadurch verbleibt der SSD ausreichend Zeit, Durchgangsdaten (in temporären Buffern), LBA-Daten für die Zuordnung und/oder Metadaten in das nicht- volatile NAND-Medium zu speichern.

Bei einem ungesicherten Stromausfall kann das Hostsystem den Befehl STANDBY IMMEDIATE nicht vor der abrupten Unterbrechung der Stromzufuhr für die SSD ausgeben. Dies kann zum Verlust von Daten, sowie von Daten für die Zuordnung und zur Korruption von Seiten führen.

Eine gut konzipierte SSD ist mit Hardware- und Firmware-Schutzmaßnahmen ausgestattet, die zuverlässig für den Schutz der Integrität von Daten und Systemdateien sorgen. Um sicherzustellen, dass das Laufwerk über eine ausreichende Stromversorgung für die Durchführung der erforderlichen Aufgaben bei plötzlichem Herunterfahren verfügt, verwenden SSD-Hersteller entweder elektrolytische Aluminium-Kondensatoren oder mehrere Tantal-Kondensatoren. Beide Lösungen sind sehr effektiv, jedoch sind bei Enterprise-SSDs Tantal-Kondensatoren die bessere Lösung.

Die Effektivität eines Superkondensators verschleißt mit der Zeit und zudem erhöht sich die Verlustrate bei höherer Betriebsspannung und höheren Temperaturen. Man bezeichnet Superkondensatoren als „nass“ und sie trocknen im Laufe der Zeit aus, insbesondere, wenn sie Temperaturen ausgesetzt sind, die über Raumtemperatur liegen. Aufgrund der gesteigerten Lebensdauer des in SSDs verwendeten NAND in Enterprise-Klasse kann die Nutzungsdauer des Laufwerks leicht die effektive Aufnahmefähigkeit von Superkondensatoren übersteigen.

Einzelkondensatoren aus Tantal haben gegenüber Superkondensatoren folgende Vorteile:

  • Tantal-Kondensatoren bestehen aus einem trockenen Feststoff (kein flüssiges Elektrolyt). Für Tantal ist kein mechanischer Verschleiß bekannt, was bedeutet, dass die Kondensatoren bei Verwendung innerhalb ihrer ausgelegten Grenzen ihre Aufnahmefähigkeit über Jahrzehnte hinweg behalten.
  • Großer Betriebstemperaturbereich: Tantal-Kondensatoren sind in einem sehr weitreichenden Temperaturbereich funktionsfähig. Ihr Betriebsbereich wird oft mit Temperaturen zwischen -55°C und 125°C angegeben. Dadurch sind sie ideal zur Verwendung unter harten Umweltbedingungen.
  • Im Vergleich zu andern Kondensatorarten verfügen Tantal-Kondensatoren über einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad (CV/cc). So kann beispielsweise ein Tantal-Kondensator mit der Kapazität von 10 Mikrofarad einen Aluminium-Kondensator mit einer Kapazität von 100 Mikrofarad ersetzen.

– Im Vergleich zu andern Kondensatorarten verfügen Tantal-Kondensatoren über einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad (CV/cc). So kann beispielsweise ein Tantal-Kondensator mit der Kapazität von 10 Mikrofarad einen Aluminium-Kondensator mit einer Kapazität von 100 Mikrofarad ersetzen.