Was ist NAND-Flash-Speicher?

Der Begriff „NAND“ setzt sich aus „NOT“ und „AND“ zusammen und bezieht sich auf das Logikgatter, das die interne Struktur einer NAND-Zelle steuert.

Neben seiner hohen Speicherdichte und Nichtflüchtigkeit zeichnet sich NAND-Flash-Speicher durch schnelle Datenübertragung, Langlebigkeit und geringen Stromverbrauch aus. Aufgrund dieser Eigenschaften hat sich der NAND-Flashspeicher als die vorherrschende Speicherlösung für alltägliche Unterhaltungselektronik etabliert – von Smartphones über Digitalkameras bis hin zu Spielekonsolen und Tablet-Computern.

Auf Unternehmens- und Industrieebene werden NAND-Speicher beispielsweise in Rechenzentren, eingebetteten Automobilsystemen, medizinischen Bildgebungsgeräten und Telekommunikationsinfrastrukturen eingesetzt.

Angetrieben durch die steigende Nachfrage nach Datenspeichern für Verbraucher- und Unternehmensanwendungen wird erwartet, dass der Markt für NAND-Flash-Speicher von 55,73 Milliarden USD im Jahr 2025 auf 72,60 Milliarden USD im Jahr 2030 wachsen wird. Dieses Wachstum entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) während dieses Zeitraums von 5,43 %.¹ Das Wachstum wird durch Investitionen in KI-Infrastruktur, die zunehmende Verbreitung von SSDs in Unterhaltungselektronikgeräten und die 3D-Chip-Technologie, die die Speicherkosten senkt, vorangetrieben.

NAND-Flash-Speicher spielen auch bei der Einführung von generativer KI auf Unternehmensebene eine entscheidende Rolle. Anwendungen der generativen KI erfordern umfangreiche Speicherkapazitäten für Trainingsdaten und Inhalte, einschließlich Text, Bilder und Videos, die auf SSDs mit NAND-Flash-Speicherchips gespeichert werden.

Im Gegensatz zu flüchtigen Speichern wie DRAM (Dynamic Random-Access Memory), die bei Stromausfall ihre Daten verlieren, handelt es sich bei NAND um einen nichtflüchtigen Speicher, der Informationen speichert, indem er elektrische Ladung in seinen Floating Gates einfängt.

NAND-Flash-Speicher werden zur Datenspeicherung verwendet und nutzen spezielle Komponenten, die als Floating-Gate-Transistoren bezeichnet werden. Diese Transistoren sind in einer Reihe angeordnet, die wie ein NAND-Logic-Gate funktioniert – eine grundlegende digitale Schaltung, die binäre Signale (Einsen und Nullen) mithilfe von „NOT“- und „AND“-Operationen verarbeitet.

Jede Speicherzelle in einem NAND-Flashspeicher besteht aus zwei wesentlichen Teilen: einem Control Gate und einem Floating Gate, die durch eine dünne Schicht aus Oxidmaterial voneinander getrennt sind. Stellen Sie sich das wie einen winzigen Behälter vor, der eine elektrische Ladung einfangen kann.

Schreibvorgänge in NAND-Zellen beginnen, wenn elektrische Ladung durch einen Prozess namens Fowler-Nordheim-Tunneling angelegt wird. Diese Ladung drängt Elektronen in das Floating Gate, wo sie eingefangen werden und einen Binärwert darstellen. Um Daten zu löschen, wird die Ladung einfach aus der Zelle entfernt und die eingeschlossenen Elektronen freigesetzt.

Die Effizienz von NAND-Flash-Speichern beruht auf seiner blockbasierten Architektur. Anstatt Daten Bit für Bit zu schreiben oder zu löschen, verarbeitet NAND Informationen in großen Blöcken. Dieser Prozess eignet sich ideal für sequenzielle Vorgänge und die Speicherung großer Datenmengen.

Zu den Vorteilen von NAND-Flash-Speicher gehören:

• Nichtflüchtiger Speicher: Kann Daten auch bei ausgeschaltetem Strom speichern und ermöglicht so die dauerhafte Speicherung von Betriebssystemen, Anwendungen und Benutzerdateien.

• Geringe Latenz: Beschleunigt die Datenzugriffsgeschwindigkeiten für leistungsstarke, datenintensive Anwendungen.

• Hohe Speicherdichte: Bietet große Speicherkapazität in kompakten Formfaktoren, von microSD-Karten bis hin zu Enterprise-SSDs.

• Energieeffizienz: Benötigt weniger Strom als mechanische Laufwerke, was die Lebensdauer von Akkus verlängert und die Kosten für Rechenzentren senkt.

• Haltbarkeit: Widerstandsfähiger gegenüber physischen Stößen und Vibrationen als Festplattenlaufwerke (HDD), da es keine beweglichen Teile enthält.

• Verlässlichkeit: Geringere Ausfallraten und Verschleißausgleichstechniken gewährleisten eine gleichbleibende Leistung und unterstützen die Cyber-Resilienz und die Geschäftskontinuität.

Der Grundstein für den NAND-Flash-Speicher wurde 1960 mit der Entwicklung des MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors) gelegt, der die massenhafte Miniaturisierung der Elektronik ermöglichte.

1967 schlugen Dawon Kahng und Simon Min Sze, Forscher der Bell Labs, vor, dass das Floating Gate eines MOSFETs als umprogrammierbarer Nur-Lese-Speicher (Read-Only Memory, ROM) wiederverwendet werden könnte.

Dieses Konzept legte den Grundstein für löschbare Speichertechnologien. Im Jahr 1971 erfand der Intel-Ingenieur Dov Frohman den löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), der ultraviolettes Licht nutzte, um Daten durch ein transparentes Fenster auf dem Chip zu löschen.

Der nächste Fortschritt kam mit dem elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren. Im Gegensatz zu EPROMs können EEPROMs durch elektrische Signale gelöscht werden. Diese Innovation stellte eine erhebliche Verbesserung hinsichtlich Komfort und Funktionalität dar.

Flash-Speicher entstand in den 1980er Jahren durch die Arbeit von Dr. Fujio Masuoka bei Toshiba. Der Begriff „Flash“ stammt von einem Kollegen, der beobachtete, dass Daten „schnell wie ein Kamerablitz vom Chip“ gelöscht werden konnten.

In den 2000er und 2010er Jahren erzielten Hersteller durch Innovationen im Zelldesign und in der Herstellung bedeutende Fortschritte in der Dichte, Leistung und Zuverlässigkeit von NAND-Flash-Speicher. Diese Innovationen verwandelten NAND-Flash von einer Nischenspeichertechnologie in die Grundlage moderner Datenspeicherung.

Es gibt zwei Arten von Flash-Speicher: NOR-Flash und NAND-Flash.

NAND-Flash-Speicher verwenden „NICHT UND“-Gatter mit in Reihe geschalteten Speicherzellen, wodurch Speicherdichte und sequentielle Operationen für hohe Speicherkapazitäten priorisiert werden.

NOR-Flash verwendet boolesche „NOT OR“-Logikgatter mit parallel geschalteten Flash-Speicherzellen, sodass einzelne Bytes schnell gelesen und programmiert werden können. Durch diesen Prozess eignet sich NOR-Flash gut für Anwendungen, bei denen der Code direkt aus dem Speicher ausgeführt werden muss, wie z. B. bei Firmware, BIOS-Chips und eingebetteten Systemen. NOR Flash hat jedoch langsamere Schreib- und Löschgeschwindigkeiten, eine geringere Speicherdichte und höhere Kosten pro Bit.

Während NOR-Flash für Codeausführungsaufgaben weiterhin wichtig ist, ist NAND-Flash für die meisten Anwendungen zur primären Speichertechnologie geworden. 

NAND-Flash-Speichertypen werden nach der Anzahl der Bits klassifiziert, die einzelne Zellen speichern können. Jeder Typ hat eine unterschiedliche Lebensdauer, die in P/E-Zyklen (Programm- oder Löschzyklen) gemessen wird.

Dazu gehören:

• SLC (einstufige Zellen): SLC, oder einstufige Zellen, speichern pro Zelle ein Bit. SLC-NAND ist zwar pro Gigabyte am teuersten, bietet aber mit bis zu 100.000 Löschzyklen die höchste Leistung, Zuverlässigkeit und Ausdauer. Es wird in Unternehmensumgebungen verwendet, die geschäftskritische Workloads ausführen.

• MLC (mehrstufige Zellen): MLC, oder mehrstufige Zellen, speichern zwei Bits pro Zelle. Sie verdoppeln die Speicherdichte von SLC und senken gleichzeitig die Kosten pro Gigabyte, sind jedoch langsamer. MLC bieten eine erschwingliche Lösung im mittleren Preissegment und sind in vielen Consumer-SSDs oder professionellen Workstations verbaut, bei denen die Lebensdauer weniger entscheidend ist.

• TLC (Triple-Level-Zellen): TLC, oder dreistufige Zellen, speichern drei Bits pro Zelle. TLC bietet eine geringere Ausdauer als SLC und MLC, da es nur 3.000 P/E-Zyklen umfasst. Es bietet jedoch eine höhere Speicherdichte bei geringeren Kosten und wird häufig in gängigen SSD-Produkten für Endverbraucher verwendet. 

• QLC (Quad-Level-Zellen): QLC, oder vierstufige Zellen, speichern vier Bits pro Zelle. Diese Spezifikation maximiert die Speicherkapazität und minimiert die Kosten pro Gigabyte, wodurch sie sich optimal für leseintensive Workloads (z. B. Streaming, Archivierung, Speicherung großer Dateien) eignet, bei denen die Lebensdauer der Schreibzyklen weniger kritisch ist. QLC setzt zudem stark auf fortschrittliche Fehlerkorrekturverfahren, um die Datenintegrität zu gewährleisten.

SLC (Single Level Cells) speichern ein Bit pro Zelle. SLC-NAND ist zwar pro Gigabyte am teuersten, bietet aber mit bis zu 100.000 Löschzyklen die höchste Leistung, Zuverlässigkeit und Ausdauer. Es wird in Unternehmensumgebungen verwendet, die geschäftskritische Workloads ausführen.

Moderne SSDs verwenden 3D-NAND-Speicher, eine Architektur, bei der mehrere Schichten von Speicherzellen vertikal auf Siliziumwafern gestackt werden. Im Vergleich zu älteren 2D-NANDs, die Speicherzellen in einer flachen Matrix anordnen, ermöglicht 3D-NAND eine größere Anzahl von Speicherzellen bei gleichem Platzbedarf. Diese Funktion optimiert die Datenspeicherdichte, die Kapazität und die Gesamtkosten pro Datenbit, wodurch mehr Speicherzellen möglich sind.

In einem Bericht von S&S Insider wird die Größe des 3D-NAND-Flash-Speichermarktes im Jahr 2023 auf 17,59 Milliarden USD geschätzt. Bis 2032 soll er ein Volumen von 75,44 Milliarden USD erreichen, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 17,61 % zwischen 2024 und 2032 entspricht.²

Die 3D-NAND-Technologie spielt im Zeitalter der künstlichen Intelligenz (KI) eine entscheidende Rolle beim Speichern von Daten. Mit Schreibgeschwindigkeiten, die bis zu 50 % schneller sind als bei herkömmlichen NAND-Lösungen, werden 3D-NAND-betriebene SSDs und All-Flash-Arrays als Speicher für generative KI verwendet. Dies unterstützt den schnellen Zugriff auf vortrainierte Modelle und große Datensätze in der Nähe von Recheneinheiten. Durch die Reduzierung der Latenz beim Datenabruf verbessert 3D-NAND die Leistung von Workflows im Bereich KI und maschinelles Lernen (ML).