Definition

Flash-Speicher

Mitarbeiter: Steve Collins und Julian da Silva

Flash-Speicher ist ein Typ von nichtflüchtigem Speicher, bei dem jeweils Speicher-Einheiten („Blöcke“) gelöscht und umprogrammiert werden. Es handelt sich um eine Variation des EEPROM-Speichers (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory), der sich auf Byte-Ebene löschen beziehungsweise ändern lässt; das ist langsamer als die Aktualisierung von Flash-Memory. Flash hält Daten auch dann längerfristig vor, wenn das System oder das Medium nicht mit Strom versorgt wird.

Flash-Speicher wird oft verwendet, um Steuerungscode wie das Basic Input/Output System (BIOS) eines Personal Computers zu speichern. Muss das BIOS geändert werden, kann der Flash-Speicher in Block- statt Byte-Einheiten, also einfacher, aktualisiert werden. Andererseits ist Flash nicht geeignet als Arbeitsspeicher (Random Access Memory, RAM), da RAM auf Byte-Ebene (nicht als Block) ansprechbar sein muss.

Flash-Speicher erhielt seinen Namen, weil der Mikrochip so organisiert ist, dass ein Teil der Speicherzellen in einer einzigen Aktion – einem „Flash“ – gelöscht werden kann. Die Löschung wird erreicht durch Fowler-Nordheim-Tunnel, bei denen Elektronen ein dünnes dielektrisches Material durchdringen und dabei eine Ladung von einem Floating Gate entfernen – ein spezieller Transistor, über den jede Speicherzelle verfügt. Intel bietet eine Form von Flash-Speicher an, die zwei Bits (statt einem) pro Zelle speichert und damit die Kapazität ohne entsprechende Zunahme des Preises verdoppelt.

Flash-Speicher wird in Mobiltelefonen, Digitalkameras, LAN-Switches, PC-Karten für Notebooks, digitalen Set-Top-Boxen, Embedded Controllern und anderen Geräten verwendet. Die Erfindung des Flash-Speichers wird Dr. Fujio Masuoka zugeschrieben, der zu dem Zeitpunkt – in den 1980er Jahren – für Toshiba tätig war. Sein Kollege Shoji Ariizumi prägte den Begriff Flash, da ihn der Löschprozess aller Daten vom Halbleiterchip an den Flash (Blitz) einer Kamera erinnerte.

Funktionsweise des Flash

Eine Flash-Memory-Zelle besteht aus einem Storage-Transistor mit einem Control Gate und einem Floating Gate. Das Floating Gate ist vom Rest des Transistors durch dünnes, dielektrisches Material oder eine Oxidschicht isoliert. Das Floating Gate speichert die elektrische Ladung und kontrolliert das Fließen des elektrischen Stroms.

Abbildung 1

Elektronen werden vom Floating Gate hinzugefügt oder entfernt, um die Spannung des Transistors zu ändern, damit die Zelle als Eins oder Null programmiert wird. Das Entfernen von Elektronen vom Floating Gate erfolgt mittels eines Prozesses, der Fowler-Nordheim Tunneling genannt wird. Mittels Fowler-Nordheim Tunneling oder Channel Hot-Electron Injection werden die Elektronen im Floating Gate festgehalten.

Löscht man mit dem Fowler-Nordheim Tunneling so zwingt eine starke negative Spannung auf dem Control Gate die Elektronen aus dem Floating Gate heraus und in den Channel, wo wiederum eine starke positive Spannung vorherrscht. Das Gegenteil passiert, wenn mit dem Tunneling Elektronen im Floating Gate festgehalten werden sollen. Hier sind die Elektronen in der Lage, durch die Oxidschicht in das Floating Gate vorzudringen, wobei dort ein hohes elektrisches Feld mit einer starken negativen Spannung auf der Zellquelle vorliegt. Das Control Gate verfügt dabei über eine große positive Spannung und der Elektonenabfluss erfolgt hier. 

Abbildung 2

Mit Channel Hot-Electron Injection (auch: Hot-Carrier Injection) erhalten Elektronen genügend Energie von der hohen Spannung im Channel und bindet Spannung am Control Gate, um die Oxidschicht zu durchbrechen und die Spannung des Floating Gates zu verändern.

Abbildung 3

Die Elektronen bleiben im Floating Gate, unabhängig ob das jeweilige Gerät an- oder ausgeschaltet ist. Das wird durch die elektrische Isolierung ermöglicht, die durch die Oxidschicht entsteht.

EPROM- und EEPROM-Zellen schreiben oder programmieren Daten ähnlich wie Flash-Memory. Der Unterschied besteht darin, wie diese Technologien Daten löschen. Ein EPROM wird dadurch gelöscht, indem der Chip aus dem System entfernt und das Array ultraviolettem Licht ausgesetzt wird. Ein EEPROM löscht Daten elektronisch auf Byte-Ebene, während Flash-Memory Daten elektronisch auf Block-Ebene entfernt.

NOR vs. NAND-Flash-Memory

Es gibt zwei Arten an Flash-Memory: NOR und NAND. NOR- und NAND-Flash unterschieden sich in Architektur- und Designcharakteristika. NOR-Flash nutzt keine gemeinsam genutzten (shared) Komponenten und kann parallel individuelle Memory-Zellen verbinden, was Random-Zugriffe auf Daten ermöglicht. Eine NAND-Flash-Zelle ist kompakter in ihren Abmessungen mit weniger Bit-Zeilen. Sie verbindet Floating-Gate-Transistoren, um eine höhere Speicherdichte zu erreichen. NAND eignet sich besser für serielle als für zufällige (Random-)Zugriffe.

NOR-Flash erlaubt schnelle Lesezyklen, ist aber typischerweise langsamer beim Löschen und Schreiben als NAND. NOR programmiert die Daten auf Byte-Level und in Pages, die größer als Bytes, aber kleiner als Blöcke sind. So kann eine Page vier Kilobytes groß sein, während ein Block 128 Kilobytes oder 256 Kilobytes oder mehrere Megabytes groß sein kann. NAND benötigt für schreibintensive Applikationen weniger Strom als NOR.

NOR-Flash ist teurer in der Produktion als NAND-Flash und wird meist im Consumer-Bereich und in embedded Geräten für Boot-Prozesse und reine Storage-Leseprozesse eingesetzt. NAND-Flash eignet sich eher für Storage in Consumer-Geräten, in Enterprise-Servern und in Storage-Systemen, da es pro gespeichertes Bit weniger Kosten erzeugt, höhere Speicherdichte offeriert sowie höhere Geschwindigkeiten beim Programmieren (Schreiben) und Löschen erreicht.

Geräte wie Kameratelefone können sowohl NOR als auch NAND zusätzlich zu anderen Memory-Technologien nutzen, um Code-Verarbeitung und Datensicherung umzusetzen.

Vor- und Nachteile von Flash-Memory

Flash ist der günstigste Halbleiterspeicher. Im Gegensatz zu Dynamic Random Access Memory (DRAM) und Static RAM (SRAM) ist Flash-Memory ein nichtflüchtiger Speicher, bietet geringeren Stromverbrauch und ermöglicht das Löschen großer Blöcke. NOR offeriert darüber hinaus schnelle Random Reads, während NAND-Flash serielle Schreibprozesse umsetzen kann.

Eine SSD mit NAND-Flash-Memory-Chips stellen eine höhere Performance bereit als traditionelle magnetische Medien wie beispielsweise Festplatten oder Tape. Flash-Drives benötigen zudem weniger Strom und geben geringere Hitze ab als Festplatten. Enterprise-Storage mit Flash-Medien bieten geringe Latenzen, die sich in Milli- und Mikrosekunden messen lassen.

Die größten Nachteile von Flash-Memory ist der Verschleißmechanismus und die Interferenzen zwischen den Zellen, wenn der DIE kleiner wird. Je größer die Anzahl der P/E Cycles wird, desto eher wird ein Bit nicht geschrieben und letztlich die Oxidschicht beschädigt, die die Elektronen festhält. Dieser Verschleiß kann den vom Hersteller eingerichteten Schwellwert stören, der festlegt, bei welcher Spannung eine Null oder eine Eins entsteht. Elektronen können verloren gehen und in der Oxid-Isolierung feststecken, was zu Fehlern führt.

Die Vergangenheit hat gezeigt, dass NAND-Flash-Drives nicht so schnell verschleißen wie befürchtet. Flash-Medienhersteller haben die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer durch Error-Correction-Code-Algorithmen, Wear Leveling und andere Technologien optimiert. Darüber hinaus verschleißen SSDs nicht ohne Warnhinweise. Üblicherweise wird der Anwender über Sensoren gewarnt.

Typen an NAND-Flash-Memory-Storage

Halbleiterhersteller haben verschiedene Memory-Typen entwickelt, die unterschiedliche Anforderungen und Einsatzgebiete bedienen. Die Tabelle gibt eine kurze Übersicht über die einzelnen Typen.

Tabelle

Typen an NOR-Flash-Memory

Die beiden Hauptarten von NOR-Flash-Memory sind paralleles und serielles NOR (letzteres bekannt als Serial Peripheral Interface). NOR-Flash war zunächst nur mit einem parallelen Interface ausgestattet. Paralleles NOR offeriert hohe Performance, Security und zusätzliche Funktionen. Zu den Einsatzgebieten gehören unter anderem Automotive, Networking oder Telekomsysteme. Serielles NOR verfügt über weniger Pins, geringere Abmessungen und ist günstiger als paralleles NOR. Eingesetzt wird es in PCs und Ultra-dünnen Computern, Servern, Festplatten, Druckern, digitalen Kameras, Modems und Routern.

Flash-Memory-Hersteller und Produkte

Zu den großen Herstellern von NAND-Flash-Memory gehören Intel, Micron, Samsung, SanDisk, SK Hynix und Toshiba. Die Liste der NOR-Hersteller umfasst Macronix, Microchip, Micron, Spansion und Winbond.

Flash-Memory wird in Enterprise-Servern, Storage und in Netzwerktechnologien ebenso eingesetzt wie in Consumer-Geräten wie in USB-Drives, Mobiltelefonen, Digitalkameras, Tablets, PC-Karten in Notebooks oder integrierten Controllern. So werden NAND-basierte SSDs oft genutzt, um die Performance für I/O-intensive Anwendungen zu steigern. NOR-Flash wird oft verwendet, um Kontroll-Code vorzuhalten, wie beispielsweise das BIOS in einem PC.

Flash-Memory wird zudem immer häufiger für In-Memory-Computing genutzt, um die Performance und die Skalierbarkeit eines Systems zu erhöhen, das große Datenbestände analysiert.

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Diese Definition wurde zuletzt im September 2005 aktualisiert

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