Veröffentlicht: 27. Juni 2024
Mitwirkende: Phill Powell, Ian Smalley
Flash-Speicher ist eine Form von nichtflüchtigem Speicher mit kontinuierlicher Speicherung, auch ohne Stromquelle. Das ermöglicht das Überschreiben und Löschen von Datenblöcken auf Byte-Ebene.
Das Wort „Flash“ ist ein Synonym für Geschwindigkeit. Ein Flash ist ein kurzer Lichtschimmer – er erscheint schnell und ist dann wieder vorbei. Traditionelle „Flash-Karten“ sind hochwirksame Lehrmittel, die das Auswendiglernen erleichtern sollen. „The Flash“, der schnellste Superheld von allen, kann mit Superman um die Wette rennen und ihn in einer Staubwolke zurücklassen.
Flash-Speichergeräte sind weit verbreitet und speichern Daten für sehr spezifische Zwecke. Sie sind häufig in einer Reihe von tragbaren Geräten zu finden, wie USB-Sticks, Smartphones, Digitalkameras, Videospielen, Tablet-Computern, Flash-Speicherkarten und SD-Karten.
Darüber hinaus übernimmt der Flash-Speicher jetzt einige der Funktionen, die früher Computerfestplatten vorbehalten waren. Wenn zum Beispiel jemand einen Computer einschaltet, durchläuft dieser Computer eine Startsequenz, die als Basic Input/Output System (BIOS) bekannt ist. Die Firmware, die zunächst das BIOS enthielt, erforderte die Verwendung eines Nur-Lese-Speicherchips (Read-Only Memory, ROM). Bei späteren Systemen wurde das BIOS auf Flash-Speicher umgestellt, sodass Inhalte neu geschrieben werden können, ohne den Chip aus der Systemplatine entfernen zu müssen.
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Flash-Speicher speichern Daten in Flash-Speicherzellen, die auf Floating-Gate-Transistoren basieren. Die Speicherzellen von Flash-Speicherchips bestehen aus Transistoren, die als Schaltelemente für den elektrischen Strom dienen, der durch diese Flash-Speicherzelle fließt.
Flash-Speicherchips sind in Rastern angeordnet, fast wie Häuserblöcke in einer Stadt. Die Speicherzellen sind in Reihen angeordnet, die als Bitleitungen bezeichnet werden. Ähnlich wie Stadtblöcke enthalten diese Chips Kreuzungen, und jede Kreuzung verfügt über einen Transistor. Diese Transistoren wiederum haben jeweils zwei Gates.
Eines davon ist das Steuergate, das sich auf der obersten Schicht des Transistors befindet. Das andere Gate wird als Floating-Gate bezeichnet, da es sich zwischen dem Steuergate und der obersten Schicht des MOSFET-Transistorchips befindet.
Außerdem befindet sich zwischen dem Steuergate und dem Floating-Gate eine dünne Trennschicht, die als Oxidschicht bezeichnet wird, obwohl sie aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht.
Die jeweilige Menge an Flash-Speicher gibt an, ob diese Verwendung von Flash-Speicher in die Klassifizierung mit niedriger, mittlerer oder hoher Dichte fällt. Höhere Dichtewerte spiegeln größere Mengen an Flash-Speicher wider.
Fast alle Fortschritte in der Informatik wurden durch einen kumulativen Prozess erzielt. Zuerst kam die Entwicklung der frühen zentralen Recheneinheiten (CPUs). 1960 wurde der MOSFET-Transistor entwickelt, der die Miniaturisierung der Elektronikindustrie in großem Maßstab ermöglichte.
1967 schlugen zwei Forscher von Bell Labs (Dawon Kahng und Simon Min Sze) vor, das Floating Gate eines MOSFETs als Quelle für einen reprogrammierbaren Nur-Lese-Speicher (ROM) umzufunktionieren. 1971 erfand der Intel-Ingenieur Dov Frohman den löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EPROM). EPROMs können schnell visuell identifiziert werden, da sie alle ein transparentes Fenster auf der Oberseite des Chips haben.
Der nächste Schritt bestand in der Entwicklung des elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speichers (EEPROM), einer weiteren Form eines elektrisch löschbaren Programms. EEPROMs wurden in den späten 1970er/frühen 1980er Jahren als Weiterentwicklung von EPROMs entwickelt.
EPROMs und EEPROMs unterscheiden sich am deutlichsten darin, wie die Datenlöschung in jedem von ihnen erfolgt. Die Daten auf einem EPROM können durch ultraviolette (UV) Strahlen gelöscht werden, während EEPROMs durch elektrische Signale gelöscht werden müssen.
Flash-Speicher, wie wir ihn heute kennen, wurden in den 1980er Jahren durch die Pionierarbeit von Dr. Fujio Masuoka eingeführt, der den Flash-Speicher während seiner Tätigkeit bei Toshiba, dem japanischen Fertigungsriesen, erfand.
Ein Kollege des Erfinders bemerkte, wie schnell alle Daten von einem Halbleiterchip gelöscht werden können – als ob dieser Vorgang der Geschwindigkeit des Blitzgeräts einer Kamera entspräche. Der Flash-Speicher war geboren und hatte nun seinen Namen.
Es gibt zwei grundlegende Arten von Flash-Speichertechnologie, jede mit ihrer eigenen Architektur und ihren eigenen Algorithmen. Darüber hinaus bietet jedes Speichermedium seine eigenen Vor- und Nachteile.
NAND-Flash-Speicher haben seinen Namen von einer Kombination aus „NOT“ und „AND“. Dies bezieht sich auf das Logikgatter, das die interne Schaltung einer NAND-Zelle steuert.
Wenn eine NAND-Zelle programmiert wird, erreicht elektrischer Strom das Steuergate und Elektronen fließen auf das Floating-Gate, wodurch eine positive Nettoladung entsteht, die den Stromfluss unterbricht. Die Oxidschicht isoliert das Floating Gate, sodass alle Elektronen auf dem Floating Gate zusammen mit den gespeicherten Daten dort verbleiben. Dadurch kann der Flash-Speicher sowohl eine elektrische Ladung als auch Daten speichern.
Das Löschen einer NAND-Zelle geht schnell, da sie dafür ausgelegt ist, ganze Datenblöcke zu löschen. Wieder wird eine elektrische Ladung an die Speicherzelle angelegt, wodurch die Elektronen (und Daten), die im Floating-Gate eingeschlossen waren, in eine untere Isolationsschicht im Chip zurückfließen. Dadurch wird die Speicherzelle effektiv gelöscht.
Die Herstellung von NAND-Flash-Speicherchips ist weder einfach noch schnell.1 Schätzungen zufolge sind über 800 verschiedene Herstellungsprozesse erforderlich, und die Herstellung eines NAND-„Wafers“, der in der Regel etwa die Größe einer mittelgroßen Pizza mit einem Durchmesser von 30 cm hat, dauert etwa einen Monat. Einzelne NAND-Chips – etwa so groß wie ein menschlicher Fingernagel – werden aus diesen Wafern geschnitten und nach ihrer Chipqualität und ihrem Gesamtnutzen sortiert.
NAND-Chips bieten viele Vorteile. Zunächst einmal enthalten NAND-Chips keine beweglichen Teile, wodurch sie robuster sind und auch bei mechanischen Stößen, übermäßigen Betriebstemperaturen oder hohem Druck funktionieren. In dieser Hinsicht schneidet der Betrieb von NAND-Chips im Vergleich zu Festplattenlaufwerken (HDD), die anfälliger für Vibrationen sind, besser ab.
Andererseits hat die Verwendung von NAND auch Nachteile. Am bemerkenswertesten ist, dass dieses Speichermedium nicht endlos oft wiederbeschreibbar ist. NAND-Chips können nur eine bestimmte Anzahl von Malen neu beschrieben werden, was ihren fortlaufenden Nutzen einschränkt.
Darüber hinaus unterliegt der NAND-Flash-Speicher denselben Einschränkungen wie andere Systeme oder Geräte, d. h. Unternehmen sind mit Daten überflutet und NAND-Speicherzellen mussten durch die Entwicklung neuer Formen von Speicherzellen Schritt halten. Was mit Single-Level-Cell-Speichern (SLC) und der Speicherung eines Bits pro Zelle und zwei Ladungsebenen begann, hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt und zur Entwicklung von Multilevel-Cells (MLCs), Triple-Level-Cells (TLCs) und sogar Quadruple-Level-Cells (QLCs) geführt.
Ähnlich wie bei seinem Gegenstück NAND setzt sich der Name des NOR-Flash-Speichers aus zwei Wörtern zusammen: „NOT“ und „OR“ – ein Hinweis auf die Art des Logikgatters, das die interne Schaltung der NOR-Zelle steuert.
Im NOR-Flash-Speicher sind die Speicherzellen parallel mit Bitleitungen verbunden. Dadurch können sie sowohl gelesen als auch individuell programmiert werden. Ein Ende jeder Speicherzelle ist mit der Erde verbunden, das andere Ende mit einer Bitleitung.
Die Hauptvorteile von NOR sind die Lesegeschwindigkeit, die hohe Anzahl möglicher Wiederbeschreibungen und die Fähigkeit, Daten mit wahlfreiem Zugriff zu verarbeiten. Dies macht NOR-Gatter perfekt für den Einsatz in städtischen Ampelsystemen, industrieller Automatisierung, Alarmsystemen, digitalem Schaltungsdesign und elektronischen Geräten. Ein weiterer entscheidender Vorteil von NOR-Flash ist die Tatsache, dass NOR-Geräte bei Verwendung von NOR-Flash sowohl die Datenspeicherung als auch die Codeausführung mit einem Gerät bewältigen können.
Zu den Nachteilen des NOR-Flash-Speichers gehört die größere Zellgröße. Dies führt zu langsameren Schreib- und Löschgeschwindigkeiten als bei NAND-Flash-Speichern,
Lesen Sie weiter, um mehr über die Unterschiede zwischen den beiden Arten von Flash-Speichern zu erfahren.
Ein wesentlicher Designunterschied zwischen der NAND-Flash-Technologie und der NOR-Flash-Technologie ist die Art und Weise, wie Speicherzellen innerhalb eines Halbleiters verteilt sind. Bei NAND-Chips sind diese Zellen vertikal ausgerichtet. Bei NOR-Chips sind die Speicherzellen horizontal angeordnet. Dieser Designunterschied führt dazu, dass diese Speichersysteme unterschiedlich funktionieren, mit unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Leistungsraten.
NAND-Technologien weisen in der Regel Latenzen im Bereich von 80 bis 120 Mikrosekunden auf, während die Latenzraten (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) zwischen 160 und 210 Nanosekunden liegen – was zeigt, dass NOR-Flash-Speicher tendenziell eine geringere Latenz aufweisen.
Die typische Lebensdauer von NAND-Flash-Speichern wird oft auf drei bis fünf Jahre geschätzt. Im krassen Gegensatz dazu reichen Schätzungen über die Lebensdauer von NOR-Flash-Speichern von 20 bis zu 100 Jahren (oder länger).
Ein weiterer Unterschied zwischen NAND- und NOR-Technologien besteht in der jeweils benötigten Strommenge. Der Stromverbrauch ist jedoch mit einem Kompromiss verbunden. NAND verbraucht beispielsweise beim Start weniger Strom, im Standby-Modus jedoch mehr. Dies unterscheidet sich grundlegend von NOR, das beim ersten Einschalten mehr Strom verbraucht, aber im Standby-Modus weniger Energie benötigt.
Die Menge an Strom, die sie während der „Arbeit“ verbrauchen, ist in etwa vergleichbar, obwohl diese Messung von der Speicherkapazität der einzelnen Geräte abhängt, die wiederum von den Aktivitäten der einzelnen Technologien bestimmt wird. NOR ist auf schnelles Lesen von Daten spezialisiert und verbraucht dabei weniger Strom. Beim Schreiben und Löschen von Daten verbraucht NAND weniger Strom als NOR.
Hierbei ist zu beachten, dass weder NAND-Flash-Speicher noch NOR-Flash-Speicher an die Verarbeitungsgeschwindigkeiten herankommen, die von anderen Speicherformen routinemäßig erreicht werden. Der Cache-Speicher wird oft als der schnellste Speicher überhaupt angesehen, aufgrund seiner Position zwischen dem Arbeitsspeicher (RAM) und der Zentraleinheit (CPU) eines Computers.
Außerdem gibt es keine pauschale Antwort auf die Frage, ob NAND schneller als NOR ist oder umgekehrt. Dies hängt von der unmittelbaren Anwendung ab, die sie gerade durchführen. Wenn der Vergleich auf schnellen Lesevorgängen basiert, ist NOR schneller. Wenn es beim Vergleich um die Ausführung von Aufgaben und die Datenverwaltung geht, ist NAND schneller.
Weder NAND noch NOR können mit dem dynamischen Direktzugriffsspeicher (Dynamic Random Access Memory, DRAM) mithalten, einer einzigartigen Form von RAM, die Hochleistungsgeschwindigkeiten von bis zu 100-mal schneller als NAND erreicht und eine temporäre Dateispeicherung während des Betriebs von Apps oder Programmen bietet. (Es ist jedoch auch erwähnenswert, dass DRAM eine flüchtige Speicherform ist, was bedeutet, dass ihr größter Nutzen in der Unterstützung der Verarbeitung liegt, die im Moment stattfindet, da der DRAM-Speicher alle Daten verliert, mit denen er gearbeitet hat, sobald seine Unterstützungsleistung abgeschaltet wird oder verloren geht.)
Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist, dass NAND-Flash-Speicher eine wesentlich größere Speicherkapazität bieten als NOR-Speicher, die in der Regel in Speicherabstufungen von 64 MB bis 2 GB erhältlich sind, während NAND-Speicherlösungen eine Kapazität von 1 GB bis 16 GB bieten – damit ist die höchste Speicherkapazität von NAND achtmal größer als die höchste Kapazität von NOR.
Es gibt weitere wichtige Unterschiede zwischen NAND und NOR, die auf den jeweiligen Nutzungszwecken basieren. Es wird oft behauptet, dass NAND besser für „tiefgreifende“ Prozesse wie Umschreiben und Löschen von Datenblöcken geeignet ist, während NOR sich bei schnellen, weniger komplexen Datensuchen auszeichnet.
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Fußnoten
1 “Understanding NAND Flash Technology” (Link befindet sich außerhalb von ibm.com), Simms.