Flash-Speicher
Flash-Speicher ist ein Typ von nichtflüchtigem Speicher, bei dem jeweils Speicher-Einheiten („Blöcke“) gelöscht und umprogrammiert werden. Es handelt sich um eine Variation des EEPROM-Speichers (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory), der sich auf Byte-Ebene löschen beziehungsweise ändern lässt; das ist langsamer als die Aktualisierung von Flash-Memory. Flash hält Daten auch dann längerfristig vor, wenn das System oder das Medium nicht mit Strom versorgt wird.
Flash-Speicher wird in der Server-, Speicher- und Netzwerktechnologie von Unternehmensrechenzentren sowie in einer Vielzahl von Verbrauchergeräten eingesetzt, darunter USB-Flash-Laufwerke - auch als USB-Sticks bekannt -, SD-Karten, Mobiltelefone, Digitalkameras, Tablet-Computer und PC-Karten in Notebooks und eingebetteten (embedded) Controllern. Beispielsweise werden NAND-Flash-basierte Solid-State-Laufwerke häufig zur Beschleunigung der Leistung von I/O-intensiven Anwendungen eingesetzt. NOR-Flash-Speicher wird häufig verwendet, um Steuerungscode, wie zum Beispiel das Basic Input/Output System (BIOS), in einem PC zu speichern.
Flash-Memory wird auch für In-Memory Computing verwendet, um die Leistung und Skalierbarkeit von Systemen zu beschleunigen, die große Datenmengen verwalten und analysieren.
Ursprünge der Flash-Speichertechnologien
Dr. Fujio Masuoka wird die Erfindung des Flash-Speichers zugeschrieben, als er in den 1980er Jahren für Toshiba arbeitete. Masuokas Kollege Shoji Ariizumi soll den Begriff Flash geprägt haben, weil das Löschen aller Daten auf einem Halbleiterchip ihn an den Blitz einer Kamera erinnerte.
Der Flash-Speicher entwickelte sich aus EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) und EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Flash ist technisch eine Variante von EEPROM, aber die Industrie behält den Begriff EEPROM für löschbare Speicher auf Byte-Ebene vor und wendet den Begriff Flash-Memory auf größere löschbare Speicher auf Blockebene an.
Wie funktioniert der Flash-Speicher?
Die Flash-Memory-Architektur umfasst ein Memory-Array, in dem eine große Anzahl von Flash-Zellen gestapelt ist. Eine Basis-Flash-Speicherzelle besteht aus einem Speichertransistor mit einem Kontroll-Gate und einem Floating Gate, das durch ein dünnes dielektrisches Material oder eine Oxidschicht vom Rest des Transistors isoliert ist. Das Floating Gate speichert die elektrische Ladung und steuert den Fluss des elektrischen Stroms.
Dem Floating Gate werden Elektronen hinzugefügt oder entfernt, um die Schwellenspannung des Speichertransistors zu ändern. Die Änderung der Spannung beeinflusst, ob eine Zelle als Null oder als Eins programmiert ist.
Ein Prozess namens Fowler-Nordheim Tunneling entfernt Elektronen aus dem Floating-Gate. Entweder Fowler-Nordheim Tunneling oder ein Phänomen, das als Channel Hot-Electron Injection bekannt ist, fängt die Elektronen im Floating Gate ein beziehungsweise hält sie dort fest.
Beim Fowler-Nordheim Tunneling werden die Daten durch eine starke negative Ladung auf dem Kontroll-Gate gelöscht. Dadurch werden die Elektronen in den Kanal gezwungen, wo eine starke positive Ladung vorhanden ist.
Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn Fowler-Nordheim Tunneling zum Einfangen, respektive Vorhalten, von Elektronen im Floating Gate verwendet wird. Die Elektronen schaffen es, durch die dünne Oxidschicht zum Floating Gate durchzukommen, wenn ein hohes elektrisches Feld vorhanden ist, mit einer starken negativen Ladung an der Quelle der Zelle und einer starken positiven Ladung am Kontroll-Gate.
Die Channel Hot-Electron Injection, auch als Hot-Carrier Injection bekannt, ermöglicht es den Elektronen, das Gate-Oxid zu durchbrechen und die Schwellenspannung des Floating Gates zu ändern. Dieser Durchbruch tritt ein, wenn die Elektronen durch den hohen Strom im Kanal und die anziehende Ladung auf dem Steuergate eine ausreichende Energiemenge erhalten.
Die Elektronen werden im Floating Gate festgehalten, unabhängig davon, ob ein Bauelement der Flash-Speicherzelle aufgrund der durch die Oxidschicht erzeugten elektrischen Isolierung Strom erhält oder nicht. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Flash-Speicher, eine dauerhafte (persistente) Speicherung zu ermöglichen.
NOR vs. NAND-Flash-Speicher
Es gibt zwei Arten von Flash-Speichern: NOR und NAND.
NOR- und NAND-Memory unterscheiden sich in der Architektur und den Designmerkmalen. NOR-Flash verwendet keine gemeinsam genutzten Komponenten und kann einzelne Speicherzellen parallel schalten, wodurch ein zufälliger (Random) Zugriff auf Daten möglich ist. Eine NAND-Flash-Zelle ist kompakter und hat weniger Bitleitungen, wobei zur Erhöhung der Speicherdichte Floating-Gate-Transistoren aneinandergereiht werden.
NAND eignet sich besser für den seriellen als für den zufälligen Datenzugriff. NAND-Flash-Prozessgeometrien wurden als Reaktion darauf entwickelt, dass das flächenbasierte NAND seine praktische Skalierungsgrenze erreicht hat.
NOR-Flash ist schnell beim Lesen von Daten, aber normalerweise langsamer als NAND beim Löschen und Schreiben. NOR-Flash programmiert Daten auf Byte-Ebene. NAND-Flash programmiert Daten in Seiten (Pages), die größer als Bytes, aber kleiner als Blöcke sind. Eine Seite kann beispielsweise 4 Kilobyte (KB) groß sein, während ein Block 128 KB bis 256 KB oder Megabyte groß sein kann. NAND-Flash verbraucht bei schreibintensiven Anwendungen weniger Strom als NOR-Flash.
NOR-Flash ist in der Herstellung teurer als NAND-Flash und wird hauptsächlich in Consumer- und embedded Geräten für Boot-Zwecke und reine schreibbasierte (read-only) Anwendungen zur Codespeicherung verwendet. NAND-Flash eignet sich aufgrund der geringeren Kosten pro Bit für die Datenspeicherung, der größeren Dichte und der höheren Program- und Erase (P/E)-Geschwindigkeit besser für die Datenspeicherung in Verbrauchergeräten und Server- und Speichersystemen der Enterprise-Klasse.
Geräte, wie beispielsweise Kamerahandys, können sowohl NOR- als auch NAND-Flash zusätzlich zu anderen Speichertechnologien verwenden, um die Codeausführung und Datenspeicherung zu erleichtern.
Unterschiedliche Formfaktoren von Flash-Speicher
Flash-basierte Medien basieren auf einem Siliziumsubstrat. Sie sind auch als Solid-State-Geräte bekannt und werden sowohl in der Unterhaltungselektronik als auch in anspruchsvollen Datenspeichersystemen eingesetzt.
Es gibt drei SSD-Formfaktoren, die von der Solid State Storage Initiative identifiziert wurden:
- SSDs, die in die gleichen Steckplätze passen, die von traditionellen elektromechanischen Festplattenlaufwerken(HDDs) verwendet werden. SSDs haben eine Architektur, die der eines integrierten Schaltkreises (integrated circuit) ähnelt.
- Solid-State-Karten, die sich auf einer Leiterplatte befinden und einen Standard-Kartenformfaktor verwenden, wie zum Beispiel Peripheral Component Interconnect Express (PCIe).
- Solid-State-Module, die in ein Dual-Inline Memory Module (DIMM) oder ein Small Outline Dual-Inline Memory Module (SO-DIMM) passen und eine Standard-Festplattenschnittstelle verwenden, wie beispielsweise Serial Advanced Technology Attachment (SATA).
Eine zusätzliche Unterkategorie ist eine Hybrid-Festplatte, die eine herkömmliche Festplatte mit einem NAND-Flash-Modul kombiniert. Eine Hybrid-Festplatte wird im Allgemeinen als eine Möglichkeit zur Überbrückung der Kluft zwischen rotierenden Medien und Flash-Speicher angesehen.
All-Flash und Hybrid-Flash-Speicher
Das Aufkommen von Flash-Speichern unterstützte den Aufstieg von All-Flash-Arrays. Diese Systeme enthalten nur SSDs und bieten im Vergleich zu allen festplattenbasierten Speicherarrays Vorteile bei der Leistung und den potenziell geringeren Betriebskosten. Der Hauptunterschied liegt, abgesehen von den Medien, in der zugrunde liegenden physischen Architektur, die zum Schreiben von Daten auf ein Speichergerät verwendet wird.
HDD-basierte Arrays verfügen über einen Aktuator-Arm (Actuator), der es ermöglicht, Daten in einen bestimmten Block in einem bestimmten Sektor auf der Platte zu schreiben. All-Flash-Speichersysteme benötigen keine beweglichen Teile zum Schreiben von Daten. Die Schreibvorgänge erfolgen direkt in den Flash-Speicher, und die Datenverwaltung wird von kundenspezifischer Software übernommen.
Ein hybrides Flash-Array kombiniert Platten- und SSD-Speicher. Hybride Arrays verwenden SSDs als Cache, um den Zugriff auf häufig angeforderte (heiße/hot) Daten zu beschleunigen, die anschließend auf die Backend-Festplatte zurückgeschrieben werden. Viele Unternehmen archivieren Daten von der Festplatte, wenn sie älter werden, indem sie diese auf eine externe Magnetbandbibliothek (Tape Library) replizieren.
Flash und Tape in Kombination, auch bekannt als Flape, beschreibt eine Art von mehrstufigem Speicher (Tiered Storage), bei dem primäre Daten in Flash gleichzeitig auf ein lineares Bandsystem geschrieben werden.
Zusätzlich zu den Flash-Speicher-Arrays hat die Fähigkeit, SSDs in x86-basierte Server einzusetzen, die Popularität dieser Technologie erhöht. Diese Anordnung ist als serverseitiger Flash-Speicher bekannt und ermöglicht es Unternehmen, die mit dem Kauf teurer und integrierter Flash-Speicher-Arrays verbundene Herstellerbindung zu umgehen.
Der Nachteil des Flash-Einsatzes in einem Server besteht darin, dass Kunden das Hardwaresystem intern aufbauen müssen, einschließlich des Kaufs und der Installation eines Speicherverwaltungssoftware-Stacks von einem Drittanbieter.
Vor- und Nachteile von Flash Memory
Hier sind einige Vorteile des Flash-Speichers:
- Flash ist die kostengünstigste Form des Halbleiterspeichers.
- Im Gegensatz zu Dynamic Random Access Memory (DRAM) und Static RAM (SRAM) ist der Flash-Speicher nicht flüchtig (non-volatile), bietet einen geringeren Stromverbrauch und kann in großen Blöcken gelöscht werden.
- NOR-Flash bietet eine erhöhte Random-Lesegeschwindigkeit, während NAND-Flash bei seriellen Lese- und Schreibvorgängen schnell ist.
- Eine SSD mit NAND-Flash-Speicherchips bietet eine deutlich höhere Leistung als herkömmliche magnetische Speichermedien wie HDDs und Band.
- Flash-Laufwerke verbrauchen außerdem weniger Strom und erzeugen weniger Wärme als HDDs.
- Enterprise-Speichersysteme, die mit Flash-Laufwerken ausgestattet sind, weisen eine geringe Latenz auf, die in Mikrosekunden oder Millisekunden gemessen wird.
Die Hauptnachteile von Flash-Speichern sind der Verschleißmechanismus und die Interferenz zwischen den Zellen, wenn die Chips (Die) kleiner werden. Bits können bei einer zu hohen Anzahl von Programmier-/Löschzyklen (P/E-Zyklen) ausfallen, wodurch die Oxidschicht, die die Elektronen einfängt, schließlich aufgebrochen wird. Dieser Verschleiß kann den vom Hersteller festgelegten Schwellenwert, bei dem eine Ladung als Null oder Eins bestimmt wird, verzerren. Elektronen können entweichen und in der Oxidisolierschicht stecken bleiben, was zu Fehlern und Bit Rot führt.
Anekdotische (nicht repräsentative) Beweise deuten darauf hin, dass NAND-Flash-Laufwerke nicht in dem einst befürchteten Maße verschleißen. Die Hersteller von Flash-Laufwerken haben die Lebensdauer und Zuverlässigkeit durch Error Correction Code-Algorithmen, Wear Leveling und andere Technologien verbessert.
Darüber hinaus verschleißen SSDs nicht ohne Vorwarnung. Sie warnen den Benutzer in der Regel auf die gleiche Weise, wie ein Sensor einen zu geringen Reifendruck anzeigen kann.
NAND-Flash-Speichertypen
Die Hersteller von NAND-Flash-Halbleitern haben verschiedene Arten von Speichern entwickelt, die für eine Vielzahl von Anwendungsfällen der Datenspeicherung geeignet sind. Die folgende Tabelle erklärt die verschiedenen NAND-Flash-Typen.Dieses Video behandelt einige der Grundlagen von 3D-NAND im Zusammenhang mit NAND:
NOR-Flash-Speichertypen
Die beiden Haupttypen von NOR-Flash-Speichern sind parallel und seriell, auch als serielle Peripherieschnittstelle (Serial Peripheral Interface, SPI) bekannt. NOR-Flash war ursprünglich nur mit einer parallelen Schnittstelle erhältlich. Das parallele NOR bietet hohe Leistung, Sicherheit und zusätzliche Funktionen; seine Hauptanwendungsbereiche sind Industrie-, Automobil-, Netzwerk- und Telekommunikationssysteme und -geräte.
NOR-Zellen werden für den zufälligen (Random) Zugriff parallel geschaltet. Die Konfiguration ist auf zufälliges Lesen in Verbindung mit Mikroprozessorbefehlen und auf die Ausführung von Codes ausgerichtet, die in tragbaren elektronischen Geräten, fast ausschließlich der Verbrauchervariante, verwendet werden.
Serielles NOR-Flash hat eine geringere Pinzahl und eine kleinere Verpackung, wodurch es kostengünstiger als paralleles NOR ist. Zu den Anwendungsfällen für serielles NOR gehören PCs und ultradünne Computer, Server, Festplatten, Drucker, Digitalkameras, Modems und Router.
Anbieter von NAND-Flash-Speicherprodukten für Unternehmen
Zu den wichtigsten Herstellern von NAND-Flash-Speicherchips gehören Intel, Micron Technology, Samsung Group, SanDisk, jetzt im Besitz der Western Digital, SK Hynix und Kioxia (ehemals Toshiba Memory).
Im Jahr 2016 gab es einen NAND-Flash-Mangel, der eine Störung des Marktes verursachte. Die Knappheit führte dazu, dass die SSD-Preise stiegen und sich die Vorlaufzeiten verlängerten. Die Nachfrage überstieg das Angebot, was weitgehend auf die steigende Nachfrage der Smartphone-Hersteller zurückzuführen war. Im Jahr 2018 gab es Anzeichen dafür, dass die Knappheit fast beendet war.
Weitere Turbulenzen wirken sich auf den Markt aus. Im November 2017 stimmte der führende Flash-Anbieter Toshiba dem Verkauf seiner Chip-Herstellungseinheit an eine Gruppe von Unternehmen und institutionellen Investoren unter der Führung von Bain Capital zu. Toshiba veräußerte das Flash-Geschäft im Rahmen seiner Bemühungen, finanzielle Verluste zu decken und eine Einstellung der Börsennotierung an der Tokioter Börse zu vermeiden.
Bewährte Produkte von NOR-Anbietern
Zu den wichtigsten Herstellern von NOR-Flash-Speichern gehört Cypress Semiconductor Macronix International, Microchip Technology, Micron Technology und Winbond Electronics Corp.
Cypress Semiconductor erwarb den NOR-Flash-Anbieter Spansion im Jahr 2015. Das NOR-Portfolio von Cypress umfasst die Produkte FL-L, FL-S, FS-S und FL1-K.
Macronix OctaFlash verwendet mehrere Bänke, um den Schreibzugriff auf eine Bank und das Lesen von einer anderen Bank zu ermöglichen. Macronix MX25R Serial NOR ist eine Low-Power-Version, die auf Anwendungen für das Internet der Dinge (IoT) abzielt.
Microchip NOR wird als Serial SPI Flash und Serial Quad I/O Flash bezeichnet. Zu den parallelen NOR-Produkten des Herstellers gehören die Familien der Mehrzweck-Flash-Geräte und Advanced Multi-Purpose Flash-Geräte.
Micron vertreibt seriellen NOR-Flash und parallelen NOR-Flash sowie Micron Xccela Hochleistungs-NOR-Flash für Automobil- und IoT-Anwendungen.
Die serielle NOR-Produktlinie von Winbond wird als SpiFlash-Speicher bezeichnet und umfasst die SpiFlash-Multi-I/O-Speicher W25X und W25Q. Im Jahr 2017 erweiterte Winbond seine Linie von Secure Flash NOR für zusätzliche Anwendungen, einschließlich System-on-a-Chip-Design zur Unterstützung von künstlicher Intelligenz, IoT- und mobilen Anwendungen.
