Flash-Speicher (1994, San Disk)

Einführung

Innenaufbau eines USB-Sticks mit Flash-Speichereinheit und Mikro-Controller
verschiedene gängige Flashmedien (SD-Karte, microSD-Karte, USB-Stick)
Unter Flash-Speicher (genauer: Flash-EEPROM) versteht man im allgemeinen digitale Speicherchips.
 
Vor allem wird Flash-Speicher dort verwendet, wo die Notwendigkeit der persistenten (nichtflüchtigen) Informationsspeicherung besteht, ohne dass eine permanente Versorgungsspannung bereitgestellt werden kann. Des Weiteren bieten Flash-Speicher eine hohe Datendichte, so dass große Mengen an Informationen auf kleinstem Raum gespeichert werden können.1


Beispiele für Flash-Speicher:
 
  • USB-Sticks
  • MP3-Player
  • Speicherkarten für Digitalkameras, Handies, PDAs 
  • Solid State Drives (Flash-Festplatten)
  • persistente Speicherung der Firmware in vielen elektronischen Geräten mit Mikrocontrollern (Embedded Systems)
  • dauerhafte Speicherung bestimmter Einstellungen, die geändert werden können, z.B. BIOS
  • programmierbare Taschenrechner
  • Funktionsweise

    Programmieren einer Flash-Zelle durch Hot Electron Injection

    Allgemein

    Flash-EEPROMs speichern Bits in Form elektrischer Ladungen auf einem sog. Floating Gate eines Feldeffekttransistors.

    Dabei ist das Floating Gate von der Stromzufuhr durch eine Isolator-Schicht abgeschnitten, so dass eine dort gespeicherte Ladung (=Information) nicht einfach abfließen kann.

    Um eine Änderung des Ladungszustands herbeizuführen, müssen die Elektronen den eigentlichen Nichtleiter passieren, was nur mithilfe des quantenphysikalischen Tunneleffekts geschehen kann.

    Speichern und Löschen von Daten

    Löschen einer Flash-Zelle durch Tunneln
    Wie beschrieben erfolgt die Speicherung eines Bits über das Floating Gate, das Speicherelement des Flash-Feldeffekttransistors, welches zwischen dem Steuer-Gate und der Source-Drain-Strecke liegt.

    Um einen Abfluss der Ladung zu verhindern, ist das Floating Gate von der Source-Drain-Strecke, wie auch vom Steuer-Gate, jeweils mittels einer Oxid-Schicht isoliert.
     
    Ist ein Floating Gate ungeladen, kann in der Source-Drain-Strecke (Kanal) ein Strom fließen. Werden über das Steuer-Gate durch Anlegen einer hohen positiven (10–18 V) Spannung Elektronen auf das Floating Gate gebracht, kann in der Source-Drain-Strecke auch bei aufgesteuertem Transistor kein Strom mehr fließen. Dies begründet sich auf dem der Spannung am Steuer-Gate entgegenwirkenden, negativen Potential der Elektronen auf dem Floating Gate. Der Flash-Transistor bleibt geschlossen.
     
    Zum Löschen einer gespeicherten Information muss der ungeladene Zustand wieder erreicht werden. Dies geschieht durch Anlegen einer hohen negativen Spannung. Mithilfe dieser hohen negativen Spannung können die Elektronen über die Steuergate-Kanal-Strecke wieder aus dem Floating Gate geleitet werden.

    Der Tunneleffekt

    Die Funktionsweise von Flash-Speicher begründet sich auf dem Fowler-Nordheim-Tunneleffekt. Der Tunneleffekt beschreibt dabei das Verfahren der Überwindung endlicher Potentialbarrieren der Elektronen, d.h. das Überwinden der isolierenden Oxidschicht. Dabei ist der Tunneleffekt als quantenmechanischer Effekt zu verstehen, da die klassische Physik ein Überwinden der isolierenden Oxidschicht nicht vorsieht.

    Ansteuerung

    Ein Flash-Speicher besteht aus einer Anzahl einzelner Speicherelemente, die einzeln adressiert werden können. Dabei entscheidet der in ein Flash-Speichermedium integrierte Mikroprozessor über die Größe der Einheiten, die beschrieben oder gelöscht werden könnenchreiben und Löschen von Daten.

    Speicher-Architektur

    Grundsätzlich sind zwei gängige Flash-Architekturen zu unterscheiden - NAND-Flash und NOR-Flash. Die Architekturen unterscheiden sich vor allem in der Art der internen Verschaltung der Speicherzellen, was sich wiederum in der Speicherdichte und Zugriffsgeschwindigkeit niederschlägt, wobei die Anordnung der Speicherzellen matrixartig aufgebaut ist. Eine Achse der Matrix stellt dabei die Adressleitungen zur Auswahl einer Spalte bzw. Zeile von Speicherzellen dar, die andere Achse die Datenleitungen zu den Speicherzellen selbst. Dabei unterscheiden sich NAND- und NOR-Flash vor allem in der Umsetzung der Datenleitungen:
     
    NAND-Flash 
    Bei NAND-Flash sind die Speicherzellen hintereinander geschaltet (Serienschaltung), wobei sich eine Gruppe jeweils eine Datenleitung teilt. Dabei stellt sich nachteilig dar, dass Lese- und Schreibzugriffe immer in Gruppen sequenziell erfolgen müssen, was sich negativ auf die Performance auswirkt, jedoch weniger Datenleitungen notwendig macht und somit Platz spart. Da im Bereich der Festplatten Daten ohnehin blockweise gelesen werden eignet sich NAND-Flash vor allem als Ersatz des Festplattenspeichers, da sich die Einschränkung nicht negativ in der Performance niederschlägt.
    NOR-Flash 
    Bei NOR-Flash sind die Speicherzellen über Datenleitungen parallel geschaltet, wobei diese je nach Speicherarchitektur auf der Source- oder der Drain-Seite liegen können. Dabei erfolgt der Zugriff direkt - und nicht wie beim NAND-Flash gruppenweise.
    Dabei findet NAND-Flash überall dort Anwendung, wo viel Speicher auf wenig Raum benötigt wird. Dabei verfügt NOR-Flash des weiteren über eine erheblich kürzere Zugriffszeit.
     
    Dabei ist jedoch zu sagen, dass Flash-Speicher eine begrenzte Lebensdauer haben, die sich in der maximalen Anzahl an Lösch-Zyklen (bzw. Schreib-Zyklen, da vor jedem erneuten Beschreiben der Speicher wieder blockweise gelöscht werden muss) wiederspiegelt (10.000–100.000 Zyklen für NOR-Flash sowie maximal 100.000 bis 2 Million für NAND-Flash). Dabei resultiert die begrenzte Lebensdauer von Flash-Speicher auf dem Auftreten von Schäden in der Oxidschicht im Bereich des Floating Gates. Ladungen können nach Erreichen der maximalen Lebensdauer unkontrolliert abfließen - Daten gehen somit verloren
    Eine weitere wichtige Kenngröße für Flash-Speicher ist die Retentation, die durch den Hersteller angegebene Zeit der fehlerfreien Datenhaltung. Dabei können sich negative externe Bedingungen wie massive Temperaturschwankungen und andere Umwelteinflüsse negativ auf die Retentation auswirken, weshalb teilweise Fehlerkorrekturverfahren eingesetzt werden, um den Datenverlust einzelner Speicherzellen zu kompensieren.

    Vor- und Nachteile von Flash-Speicher

    • Vorteile von Flash-Speicher
        • persistente Datenspeicherung auch ohne Versorgungsspannung (nichtflüchtiger Speicher)
        • geringer Energieverbrauch sowie folglich geringe Wärmeentwicklung im Betrieb
        • Erschütterungsresistenz und geräuschlos, da keine mechanischen Bauteile
        • Resistenz gegen magnetische Felder und Luftfeuchtigkeit
        • kleine Bauform und geringes Gewicht bei sehr hoher Datendichte (bis zu 69 GB/cm³ bei einer 8 GB microSD-Karte inkl. Plastikgehäuse und Controller!)
        • sehr kurze Zugriffszeiten, da kein mechanischer Zugriff
        • lange Haltbarkeit der Daten, da keine mechanischen "Verschleißteile"
    • Nachteile von Flash-Speicher
      • deutlich höherer Preis (pro GB) als bei Festplatten und optische Speichermedien (jedoch starker Preisverfall)
      • deutlich langsamer als RAM (Random Access Memory), da nur ganze Sektoren auf einmal gelöscht werden können und komplexe Ansteuerung beim Schreiben (über eigenen Microcontroller und Interfaces)
      • begrenzte Anzahl von Löschzyklen und dadurch bedingte Unzuverlässlichkeit
      • als Fesplattenersatz, z.B. in Form von State Solide Drives (SSD) ist der Einsatz von Ersatzsektoren nötig um komplett ausgefallene Sektoren zu ersetzen. 2 3 4

    Geschichte

    Die Ursprüngliche Entwicklung von Flash-Speicher geht auf das Einsatzgebiet der Digitalkamera zurück, da Daten schnell und persistent (nicht-verflüchtigend) gespeichert werden mussten. Dabei führte Sand Disk 1994 den Compact Flash-Standard ein. Die erste Compact Flash Speicherkarte von San Disk hatte eine Kapazität von vier Megabyte Kapazität. Im Jahr 2000 brachten Trek Technology und IBM die ersten USB-Sticks auf den Markt. Dank der fortschreitenden Verbreitung des USB-Standards haben sich USB-Sticks schnell gegenüber Disketten durchgesetzt und diese weitgehend verdrängt. Aktuell fassen die größten erhältlichen USB-Sticks 128 GB Daten.
    Quellenangaben/ Einzelnachweise:
    1 "How Flash Memory Works" - HowStuffWorks.com - URL: http://www.howstuffworks.com/flash-memory.htm
    2 "Flash Memory - nichtflüchtiger Speicher auf Halbleiterbasis" - Uni-Stuttgart. URL: http://www.ipe.uni-stuttgart.de/content/web6/FA%202006%20Selected%20Fotos/flash_clean.pdf
    3 "Solid State Drives mit MLC-Speicher - Der zweite Anlauf" - ht4u.net. URL: http://ht4u.net/reviews/2008/solid_state_drive_roundup/index5.php
    4 "Flash-Technologie bei richtiger Anwendung sicher" - derStandard.at. - URL: http://www.attingo.com/at/download/presse/20070323--Der-Standard--Flash-Technologie-bei-richtiger-Anwendung-sicher.pdf