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Flash-Speicher

Flash-Speicher sind digitale Speicherchips; die genaue Bezeichnung lautet Flash-EEPROM. Im Gegensatz zu „gewöhnlichem“ EEPROM-Speicher lassen sich bei neuen Flash-EEPROM Bytes, die kleinsten adressierbaren Speichereinheiten, nicht einzeln löschen.

Der Name „Flash“ kam durch eine Anekdote aus dem Entwicklungslabor von Toshiba 1984 zustande: Shoji Ariizumi, einen Mitarbeiter des Projektleiters Dr. Fujio Masuoka, erinnerte der in Blöcken stattfindende Löschvorgang des Speichers an das blendende Licht eines Kamerablitzes. Er schlug deshalb den Namen „Flash“ vor.

Anwendung finden Flash-Speicher überall dort, wo Informationen persistent (nichtflüchtig) auf kleinstem Raum – ohne permanente Versorgungsspannung – gespeichert werden müssen.

Beispiele:


Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

Überblick

Bei einem Flash-EEPROM werden Bits in Form von elektrischen Ladungen auf einem sogenannten Floating Gate eines Feldeffekttransistors gespeichert (bei neueren Speichern auch mehrere Bits pro Gate, da verschiedene Ladungszustände benutzt werden), das von der Stromzufuhr durch eine Schicht eines Isolators abgeschnitten ist (daher das „Floating“ im Namen), sodass dort gespeicherte Ladung nicht einfach abfließen kann. Eine Änderung des Ladungszustands kann nur mithilfe des quantenphysikalischen Tunneleffekts geschehen, der es den Elektronen erlaubt, den eigentlichen Nichtleiter zu passieren.

Speichern und Lesen

Die Speicherung eines Bits erfolgt über das Floating Gate, das eigentliche Speicherelement des Flash-Feldeffekttransistors. Es liegt zwischen dem Steuer-Gate und der Source-Drain-Strecke und ist von dieser wie auch vom Steuer-Gate jeweils mittels einer Oxid-Schicht isoliert. Im ungeladenen Zustand des Floating Gate kann bei am Gate aufgesteuertem Transistor 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, so kann in der Source-Drain-Strecke auch bei aufgesteuertem Transistor kein Strom mehr fließen, da das negative Potential der Elektronen auf dem Floating Gate der Spannung am Steuer-Gate entgegen wirkt und somit den Flash-Transistor geschlossen hält.

Der ungeladene Zustand wird wieder erreicht, indem die Elektronen durch Anlegen einer hohen negativen Spannung über die Steuergate-Kanal-Strecke wieder aus dem Floating Gate ausgetrieben werden. Dabei ist es sogar möglich, dass der Flashtransistor in den selbstleitenden Zustand gerät, d. h. er liefert sogar dann Strom, wenn am Steuer-Gate keine Spannung anliegt („Over-Erase“): statt mit Elektronen ist das Floating Gate nun quasi mit positiven Ladungsträgern (Defektelektronen, 'Löchern') besetzt. Das ist insbesondere in NOR-Architekturen (s. u.) problematisch.

Tunneleffekt

Der Mechanismus, der die Elektronen durch die isolierende Oxidschicht passieren lässt, wird Fowler-Nordheim-Tunneleffekt genannt (nach ihren ersten Erforschern), d. h. bei einem Flashspeicher handelt es sich um die Anwendung eines nur quantenmechanisch deutbaren Effekts. Um die Elektronen leichter zum Tunneln 'hinauf' zum Floating Gate zu veranlassen, wird oft das Verfahren CHE (channel hot electron) verwendet: die Elektronen werden durch Anlegen einer Spannung über dem Kanal, also zwischen Drain und Source, beschleunigt und dadurch auf ein höheres Energieniveau (daher engl. hot) gehoben, wodurch sie schon bei geringeren Spannungen (typ. 10 V) zwischen Gate und Kanal zum Floating Gate tunneln. (In obiger Abbildung zum Programmieren ist dieses Verfahren – allerdings für eine ältere Technologie – angedeutet.)

Anmerkung

Ob der geladene oder ungeladene Floating-Gate-Zustand als jeweils '0'- oder '1'-Zustand der Speicherzelle angesehen wird, ist implementierungsabhängig. (Logisch gesehen entspricht das ohnehin nur einem invertierenden oder nicht-invertierenden Verhalten der Ausleseschaltung: Stromfluss durch die Zelle ist entweder '1' oder '0'.)

Ansteuerung

Ein Flash-Speicher besteht aus einer bestimmten, von der Speichergröße abhängigen Anzahl einzelner Speicherelemente. Die Bytes oder Worte (typisch durchaus bis 64 Bit) können einzeln adressiert werden. Dabei können sie in einigen Architekturen auch einzeln geschrieben werden, wogegen bei anderen nur größere Datenmengen auf einmal programmiert werden können. In der Regel ist die entgegengesetzte Operation, das Löschen, aber nur in größeren Einheiten, so genannten Sektoren (meistens ein Viertel, Achtel, Sechzehntel usw. der Gesamtspeicherkapazität) möglich. Dabei ist die logische Polarität nicht immer gleich: es existieren sowohl Implementierungen, die das Programmieren logisch als Übergang logisch '0' nach '1' realisieren, als auch umgekehrt.

Gemeinsames Merkmal ist aber immer, dass die beiden Operationen

Das bedeutet, dass zum Wiederbeschreiben immer erst eine Löschoperation (auf einem Byte bei manchen EEPROM-Architekturen, auf einem Sektor bei Flash) nötig ist und dann das gewünschte Bit-Pattern, also der gewünschte Speicherinhalt durch Programmieroperationen hergestellt wird.

Oft müssen zum Schreiben auf den Flash-Speicher spezielle Kommandos (in Form einer Sequenz von anzulegenden genau spezifizierten Daten-/Adresspaaren) an den Flash-Speicher gegeben werden. Das ist eine Sicherheitsmaßnahme gegen unbeabsichtigtes Beschreiben oder Löschen des Speichers.

All diese Detailoperationen geschehen in der Regel transparent für den Benutzer und das jeweilige Anwendungsprogramm. Meistens gibt es für Flash-Speicher optimierte Dateisysteme, die diese Verfahrensweisen implementieren. Manche Flash-Speicher wie beispielsweise USB-Sticks tragen auch zur Bedienung der Schnittstelle zum Rechner einen eigenen Mikrocontroller und bringen solche Dateisysteme als Treiber in dessen ROM mit.

Architekturen

Am Markt sind derzeit zwei Flash-Architekturen gängig, die sich in der Art der internen Verschaltung der Speicherzellen und damit in der Speicherdichte und Zugriffsgeschwindigkeit unterscheiden. Grundsätzlich sind die Speicherzellen als Matrix angeordnet, wobei über eine Achse die Adressleitungen zur Auswahl einer Spalte bzw. Zeile von Speicherzellen dienen und in der anderen Achse Datenleitungen zu den Speicherzellen führen. Die Realisierung der Datenleitungen stellt den wesentlichen Unterschied zwischen den Architekturen dar:

NAND-Flash 
die Speicherzellen sind in größeren Gruppen (z. B. 1024) hintereinander geschaltet (Serienschaltung). Das entspricht dem n-Kanal-Zweig eines NAND-Gatters in der CMOS-Technologie. Eine Gruppe teilt sich jeweils eine Datenleitung. Lesen und Schreiben ist dadurch nicht wahlfrei möglich, sondern muss immer in ganzen Gruppen sequenziell erfolgen. Durch die geringere Zahl an Datenleitungen benötigt NAND-Flash weniger Platz. Da Daten auch auf Festplatten blockweise gelesen werden, eignet sich NAND-Flash trotz dieser Einschränkung als Ersatz der Plattenspeicher.
NOR-Flash 
die Speicherzellen sind über Datenleitungen parallel geschaltet – diese können je nach genauer Architektur auf der Source- oder der Drain-Seite liegen. Das entspricht einer Verschaltung wie im n-Kanal-Zweig eines NOR-Gatters in CMOS. Der Zugriff kann hier wahlfrei und direkt erfolgen. Deshalb wird der Programmspeicher von Mikrocontrollern aus NOR-Flash aufgebaut.

Die NAND-Architektur zielt auf Märkte, in denen es auf viel Speicher auf wenig Raum ankommt, weniger jedoch auf geringe Zugriffszeit auf ein beliebiges Datum. Die NOR-Architektur setzt auf den Ersatz von UV-löschbaren EPROMs (die zwischenzeitlich von Flash-Bausteinen nahezu ersetzt sind und kaum noch weiter entwickelt werden). Außerdem lassen sich hier erheblich kürzere Zugriffszeiten realisieren: die Parallelschaltung hat den geringeren Widerstand zwischen Stromquelle und Auswerteschaltung.

Flash-Speicher haben eine begrenzte Lebensdauer, die in einer maximalen Anzahl an Lösch-Zyklen angegeben wird (10.000–100.000 Zyklen für NOR-Flash und bis zu 1 Million für NAND-Flash). Dies entspricht gleichzeitig der maximalen Anzahl Schreib-Zyklen, da der Speicher jeweils blockweise gelöscht werden muss, bevor er wiederum beschrieben werden kann. Diese Zyklenzahl wird Endurance genannt. Verantwortlich für diese begrenzte Lebensdauer ist das Auftreten von Schäden in der Oxidschicht im Bereich des Floating Gates, was das Abfließen der Ladung bewirkt. [1]

Eine andere wichtige Kenngröße ist die Zeit der fehlerfreien Datenhaltung, die Retention.

Technologien

Das wichtigste Kriterium zur Unterscheidung von Flashtechnologien ist natürlich die Geometrie der Speicherzelle, des Flashtransistors, u. a. werden folgende Zelltypen unterschieden (dabei können mehrere der nachfolgenden Merkmale zugleich zutreffen):

Speichergrößen

Im dritten Quartal 2007 liefern mehrere Hersteller (Samsung, Toshiba und andere) NAND-Flash-Speicher mit 16 Gigabit, NOR-Flash-Speicher erreicht zur gleichen Zeit 1 Gigabit Speicherkapazität.

Der Unterschied in der Speicherkapazität rührt vor allem daher, dass bei NAND-Flash-Speicher die Daten- und Adress-Leitungen auf denselben Anschlüssen (Pins) ausgeführt werden, d. h. derselbe Anschluss abwechselnd für Daten- und Adressübermittlung genutzt wird („Multiplex“), während bei den NOR-Flash-Speichern diese getrennt sind. Dadurch können die NOR-Typen wesentlich schneller bei den Datenzugriffen sein, haben aber bedeutend mehr Pins und bedürfen damit prinzipiell größerer Gehäuse. De facto sind jedoch bei hohen Kapazitäten die Gehäuse der NAND-Typen nahezu genauso groß wie jene der NOR-Typen, was aber an dem sehr großen Speicherchip im Innern, nicht am Platzbedarf der Anschlüsse liegt. Dennoch sind die wenigsten Gehäusepins bei NAND-Typen tatsächlich angeschlossen, der Vorteil der simpleren „Verdrahtung“ des Bausteins im Gerät bleibt deshalb erhalten.

Anzahl der Löschzyklen

Die Anzahl der Löschzyklen von NAND-Flash-Speichern ist nicht genau zu ermitteln. Laut den Herstellern betragen diese 100.000 bis 1.000.000 (Stand 2006). Bei NOR-Flash-Typen beträgt die zugesicherte Anzahl nur etwa 10.000. Jedoch geben die Hersteller an, dass ihre Speicher auch das Zehnfache schaffen. Bei einem Test der Computerzeitschrift c’t wurde ein USB-Stick 16 Millionen Mal beschrieben (immer auf dieselbe Datei), ohne dass ein Fehler auftrat. Dies setzt jedoch ein gutes Defektmanagement des Sticks voraus.

Der Flash-Speicher speichert seine Informationen auf dem Floating-Gate. Bei einem Löschzyklus durchtunneln die Elektronen die Oxidschicht. Dafür sind hohe Spannungen erforderlich. Dadurch wird bei jedem Löschvorgang die Oxidschicht, die das Floating-Gate umgibt, ein klein wenig beschädigt (Degeneration). Irgendwann ist die Isolation durch die Oxidschicht nicht mehr gegeben und die Elektronen bleiben nicht mehr auf dem Floating-Gate gefangen und die auf der Speicherzelle gespeicherte Information geht verloren. Der Defekt einer einzelnen Zelle macht einen Flash-Speicher noch lange nicht unbrauchbar.

Defektmanagement im Flash/Ansteuerlogik

Ausfälle einzelner Zellen werden durch eine Fehlererkennung erkannt und in einem geschützten Bereich protokolliert. Für die Fehlererkennung und -korrektur werden zu jedem Block (512 byte) zusätzliche Bits (64?) gespeichert. Mit diesen Schutzbits sind einzelne fehlerhafte Bits korrigierbar, Fehler über mehrere Bits werden nur erkannt. Die Ansteuerlogik zeigt Fehler dieses Blocks an, die Treibersoftware kann dann diese Blocks als defekt markieren. Diese Defekttabelle befindet sich im sogenannten Spare-Bereich des Flash, der im normalen Betrieb nicht beschrieben wird. Die Berechnung und Kontrolle der Schutzbits wird in der Ansteuerlogik, nicht im Flash selbst realisiert, dabei kommt oft ein Hamming-Code zur Anwendung.

Defektmanagement durch Software

Um solche Defekte zu vermeiden, wird die Treibersoftware (ein spezielles Dateisystem) so ausgelegt, dass sie die Schreib- und Löschaktionen möglichst gleichmäßig über den gesamten Speicherbereich eines Bausteins verteilt und beispielsweise nicht einfach immer bei Adresse 0 anfängt zu schreiben. Man spricht dabei von Wear-Leveling-Algorithmen.

Vorteile

Nachteile

Geschichte

Die Geschichte der Flash-Speicher ist eng verbunden mit der Geschichte der Digitalkamera. Das erste Compact Flash Medium mit vier Megabyte Kapazität wurde 1994 von SanDisk vorgestellt. 1998 stellte Sony den ersten Memory Stick vor.

Quellen

  1. Flashspeicher Halbwertszeit
  2. Vier Bits pro Flash-Speicherzelle
  3. Festplatte Ade
  4. Festplatte Ade
  5. Algorithmus zum Ersatz von EEPROM durch Flash Speicher
  6. Flashspeicher Halbwertszeit