Grundlagen der Flash-Technik So funktionieren die blitzschnellen Speicher

Autor / Redakteur: Hermann Strass / Nico Litzel

Bei der Datenspeicherung unterscheidet man zwischen dauerhaften (non-volatilen, nicht-flüchtigen) und nicht-dauerhaften (volatilen, flüchtigen) Speichertechniken. Halbleiterspeicher gibt es als flüchtige (RAM) oder nicht-flüchtige (ROM, Flash) Variante. Dieser Speichertyp kommt ohne mechanische Teile aus und ist daher meist sehr schnell bei geringem Energieverbrauch. Wie Flash-Speicher funktionieren und welche verschiedenen Typen es gibt, erläutert der nachfolgende Beitrag.

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Eine Flash-Zelle besteht aus einem MOSFET-Transistor mit einer zusätzlichen Elektrode (Floating Gate), die, wie der Name ausdrückt, schwebend, also nicht mit der Außenwelt verbunden, eingebaut ist. Diese zusätzliche Elektrode wird zwischen der Steuerelektrode (Controling Gate) und dem aktiven Transistorkanal (source – drain) platziert und mit einer dünnen halbdurchlässigen Trennschicht umgeben.

In diesem Zustand hat das Floating Gate noch keinen nennenswerten Einfluss auf den Transistorbetrieb. Werden nun freie Elektronen mithilfe von höherer Spannung (Schreibspannung) durch die Barriere (meist eine Oxidschicht) hindurch auf das Floating Gate »gepresst«, dann ändert sich das Transistorverhalten erheblich. Die Anreicherung des Floating Gate mit Elektronen wird auch Programmierung genannt.

Das Floating Gate wird je nach Menge der aufgenommenen Elektronen zu einem elektronischen Drosselventil für die Transistorfunktion. Beim Auslesen einer Transistor-Speicherzelle wird der resultierende Strom als Indikator für logisch NULL (üblicherweise viele Elektronen im Floating Gate) und logisch EINS (üblicherweise wenig oder fast keine Elektronen im Floating Gate) ausgewertet. Da im Idealfall die »gefangenen«‚ Elektronen auch nach beispielsweise zehn Jahren immer noch vorhanden sind, kann auch dann noch der einmal programmierte Zustand ausgelesen werden.

Überblick

Üblicherweise ändern sich Daten im Rechner in kurzen Abständen. Die Speicherzellen müssen also häufig umprogrammiert werden. Bei der Flash-Technik ist dazu eine Neu-Programmierung nötig. In einem separaten Arbeitsgang müssen die bisher gespeicherten Daten (immer blockweise) zuerst gelöscht werden. Bei einer höheren Spannung (Löschspannung) werden die gefangenen Elektronen blitzschnell (flash) aus dem Floating Gate »herausgepresst«.

Erst danach können neue Daten sowie der unveränderte Teil der alten Daten neu in diesen Block eingeschrieben werden. Daher sind bei Flash-Speichern Schreiboperationen immer deutlich langsamer als Leseoperationen.

Vor noch nicht allzu langer Zeit wurden 30.000 Elektronen oder mehr für ein geladenes Floating Gate benötigt, weniger als 5.000 Elektronen in einem ungeladenen. Bei einer Strukturgröße von etwa 50 Nanometern werden heute etwa 1.000 Elektronen zur Speicherung eines Bits eingesetzt. Theoretisch kann auch ein Elektron ein Bit speichern.

Flash-Varianten

Derzeit gibt es zwei verschiedene Flash-Techniken: NOR und NAND. NOR wird bisher meist in handlichen Geräten für den Alltagsbetrieb eingesetzt. NAND wird in großen Datenspeichern in kommerziellen Systemen genutzt, weil damit kompaktere, schnellere und preiswertere Speichersysteme gebaut werden können.

Im NOR-Speicher sind die Speicherzellen parallel auslesbar, daher sind solche Speicher bei einem überwiegenden Lesebetrieb (Programmausführung) besonders schnell und somit als Programm- oder Codespeicher sehr gut geeignet. NAND-Speicherzellen können dichter gepackt werden. Dabei sind aber viele Speicherzellen in Reihe geschaltet. Daher ist der wahlfreie Lesezugriff etwas langsamer. Löschen und Schreiben gehen bei NAND-Speichern schneller, wenn blockweise gearbeitet wird.

Bei gleicher Halbleiter-Prozesstechnik können NAND-Speicherzellen etwa zweimal so dicht gepackt werden wie NOR-Zellen. Die technischen Prozesseigenschaften sorgen allerdings für deutlich abweichende Verhältnisse. So waren beispielsweise vor einiger Zeit NOR-Chips mit 256 Megabit und NAND-Chips mit 4 Gigabit Kapazität gleichzeitig am Markt verfügbar.

Bei Geräten mit gemischtem Bedarf werden beide Flash-Techniken eingesetzt. Ein Mobiltelefon mit Kamerafunktion benötigt einen schnellen Lesespeicher zur Programmausführung und eine hohe Kapazität zur Speicherung der Bild-Dateien. Es gibt auch andere Kombinationen mit (low power) DRAM oder PSRAM (Pseudo Static RAM). Bei kleinen Geräten werden auch oft Einheiten aus mehreren Chips eingesetzt. Dabei werden NAND-Flash, NOR-Flash und andere Halbleiterelemente in ein gemeinsames Gehäuse (MCP = Multi-Chip Package) integriert. Damit werden Platz und Kosten gespart.

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.

TurboMemory, ReadyDrive und ReadyBoost

Bei der Auswahl von Flash- und Festplattenspeicher sind noch andere Kriterien zu berücksichtigen. Vor einiger Zeit wurde mit viel Euphorie von Microsoft eine Software-Speichertechnik für Vista propagiert. Eine gewisse Menge an Flash im Laufwerk einer Festplatte (ReadyDrive) oder separat als USB-Stick oder Speicherkarte (ReadyBoost) sollte als automatischer Zwischenspeicher genutzt werden.

Microsoft liefert den Treiber für VISTA, der Kunde den USB-Stick oder die Festplattenhersteller das zusätzliche Flash-Element in den Laufwerken. Diese Lösung war ein kurzes Strohfeuer. In einigen wenigen Sonderfällen waren diese Produkte geringfügig schneller, meist aber sogar langsamer oder höchstens gleich schnell mit Festplatten ohne Flash. ReadyBoost kann immer nur ein Flash-Gerät nutzen. Ist TurboMemory eingebaut, dann ist ein USB-Stick als Beschleuniger wirkungslos.

Eine Lösung von Intel besteht aus einer geringen Menge Flash-Speicher im Rechner (Motherboard), der im Betrieb als Zwischenspeicher (TurboMemory, früher Robson) je zur Hälfte für ReadyBoost und ReadyDrive genutzt wird. Dieser zusätzliche Speicher bringt keinen zusätzlichen Speicherplatz, weil die dort gespeicherten Daten nochmals auf der Festplatte gespeichert sind. HP verzichtet, nach gründlichen Untersuchungen, auf TurboMemory. Die effektivste Beschleunigungsmethode ist immer noch: etwas mehr Hauptspeicher einbauen.

Vaulter Disk

Ein neueres, zum Patent angemeldetes, Konzept von SanDisk nutzt ein zusätzliches Flash-Laufwerk (Vaulter Disk) als eigenständigen Speicher mit eigenem Laufwerksbuchstaben. Bei Integration dieses Halbleiterspeichers beim Systemhersteller werden das Betriebssystem und häufig gebrauchte Routinen oder Programme permanent auf das Flash-Laufwerk kopiert und dann nur noch dort genutzt.

Beide Laufwerke (Flash und Festplatte) arbeiten parallel. Auch privat genutzte PCs haben üblicherweise mehr als ein Laufwerk, wenn auch oft physikalisch auf einer einzigen Festplatte. So bringt das zusätzliche Vaulter-Disk-Laufwerk auch zusätzlichen Speicherplatz und als weiteren Vorteil einen schnelleren Betrieb der Softwareteile, die von den schnelleren Zugriffszeiten tatsächlich auch am meisten profitieren. Somit bringt der höhere Anschaffungspreis auch tatsächlich nennenswerte Vorteile im Betrieb. Die Vaulter-Disk-Technik wurde im Januar auf der CES in Las Vegas mit einem Innovationspreis ausgezeichnet.

Weiterentwicklung

Üblicherweise geht man von einer Zeitspanne von fünf Quartalen zwischen zwei Flash-Generationen aus. Manchmal wird die Kapazität zwischen den Generationen verdoppelt, manchmal reicht es aber nur für eine Steigerung um 50 Prozent. Die Experten erwarten zunächst noch einige Generationen lang ein »weiter so«. Für die Zeit danach werden aber schon eifrig andere Techniken erforscht.

In den ersten acht Jahren der Flash-Technik sind die Preise, umgerechnet auf ein Megabyte, um den Faktor fünfzig gefallen. Dieser Preisverfall wird aber verflachen. Auch bei den Festplatten gibt es Entwicklungen hin zu günstigeren Preisen, höheren Geschwindigkeiten und höheren Kapazitäten. Da die Festplattentechnik schon sehr viel länger im Einsatz ist, bewegt sich deren Entwicklungskurve bereits im flacheren Teil gegenüber der noch sehr jungen Flash-Technik. Diese wird sich also in überschaubarer Zeit näher an das Niveau der Festplattentechnik heranarbeiten.

Die Verkaufspreise der Hersteller stehen seit kurzer Zeit unter zusätzlichem Preisdruck. Im letzten Jahr hat beispielsweise Apple allein etwa 13 Prozent der Weltproduktion an Flash-Speicher aufgenommen. Eine Steigerungsrate von fast 30 Prozent wurde prognostiziert. Industriekunden mit ihren üblicherweise kleinen Abnahmemengen wurden nicht mehr direkt bedient. Jetzt gehen Apple und andere Großabnehmer nur noch von einer »minimalen« Steigerungsrate aus.

Preisverfall mit Verzögerung

Die hochgefahrenen Produktionsmengen drängen nun auf den Markt. Vereinzelt gab es innerhalb von ein bis zwei Monaten Preisrückgänge von 30 Prozent beim Herstellerpreis von USB-Sticks. Allerdings ist das meiste davon im Zwischenhandel hängen geblieben. Die Endverbraucherpreise sind, je nach Kapazität, gleich geblieben oder nur um etwa zehn Prozent gesunken. Ein weiterer Preisverfall ist aber, mit einiger Verzögerung, zu erwarten.

In den USA wird die Zukunft immer sehr rosig gesehen. Der Markt für Massenspeicher auf Halbleiterbasis soll von derzeit sehr gering auf zehn Milliarden Dollar im Jahr 2012 steigen (Steve Jeon, CEO of Mtron). IDC erwartet, dass der Einsatz von Halbleiterspeicher in mobilen PCs von heute fast null auf 20 Prozent im Jahr 2011 steigen wird.

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