Grundlagen der Flash-Technik

So funktionieren die blitzschnellen Speicher

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Technische Parameter

Das Zeitkriterium für den Datenerhalt in nichtflüchtigen Speichern (magnetisch, optisch oder Flash) ist die Speicherung von Daten über zehn Jahre ohne Ausfall. Beim Flash-Speicher gibt es noch das Problem der Abnutzung. Wird ein Speicherbereich sehr häufig beschrieben und dazu vorher gelöscht, dann muss mit Fehlern gerechnet werden. Alle Flash-Speicher überwachen daher in der Speichersteuerung die Schreibhäufigkeit aller Blöcke.

Neue Daten werden in bisher weniger benutze Speicherblöcke geschrieben, um die Abnutzung gleichmäßig zu verteilen. Mit Endurance ist die Anzahl der Speicherzyklen gemeint, bevor Fehler auftreten. Grund für die Abnutzung sind Schäden an der isolierenden Oxidschicht um das Floating Gate. Neben der Speicherverwaltung muss ein Speichersteuersystem auch effektive Algorithmen für Fehlerkorrekturen enthalten und fehlerhafte Blöcke ausblenden können.

Vereinfacht ausgedrückt halbieren sich die Kosten bei einer Verdoppelung der Kapazität. Anfangs reduzieren sich dabei auch die Endurance und die Zugriffsgeschwindigkeit. Durch Verbesserung des Herstellprozesses werden diese Nachteile nach kurzer Zeit wieder beseitigt. Die Speicherdichten bei den NAND- und NOR-Techniken für Einbit-Zellen unterscheiden sich. Beide Techniken gibt es inzwischen auch in Mehrbit-Varianten mit zwei, drei oder vier Bit in einer Zelle. Generell sind Mehrbit-Zellen zunächst langsamer und störanfälliger als Einbit-Zellen.

Mehrbit-Zellen (MLC)

In einer Einbit-Zelle (SLC = Single Level Cell) wird eine bestimmte Ladung mit hoher Spannung gespeichert (programmiert). Beim Auslesen mit niedrigerer Spannung wird zerstörungsfrei festgestellt, ob eine Ladung auf dem Floating Gate vorhanden ist (logisch 0) oder ob dieses »leer« ist (logisch 1). Da es sich um analoge Spannungen handelt (analog zur gespeicherten Ladung = Anzahl der Elektronen), werden weitere Bits in einer Mehrbit-Zelle (MLC = Multi-Level Cell) durch weitere unterscheidbare Spannungspegel (Ladungsmengen) definiert.

Die Zellgröße wird also nicht verändert, nur die Ladungsmenge. Damit erklärt sich ein Teil der erheblichen Kostenreduktion der MLC-Speicher gegenüber SLC-Speicher. Allerdings ist es sehr schwierig, die unterschiedlichen Ladungsmengen zuverlässig zu injizieren und die geringen Spannungsunterschiede präzise auszulesen. Bei der NVROM-Technik von Saifun werden zwei oder vier individuelle Bereiche an Grenzschichten in einer einzigen Speicherzelle platziert.

Für den professionellen Festplattenersatz sollte beim heutigen Stand der Technik aus Zuverlässigkeits- und Geschwindigkeitsgründen SLC-Flash in NAND-Technik eingesetzt werden. MLC-Flash ist eher für einfache Endverbrauchergeräte geeignet.

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