NAND Flash Memory (NAND-Flash-Speicher)

Betrieb eines NAND-Flash-Speichers

Der Flash-Speicher ist ein spezieller Typ eines Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM-Chip). Die Flash-Schaltung bildet ein Gitter aus Spalten und Zeilen. An jeder Kreuzung des Gitters befinden sich zwei Transistoren, die durch eine dünne Oxidschicht voneinander getrennt sind - ein Transistor wird als Floating Gate und der andere als Control Gate bezeichnet. Das Control Gate verbindet das Floating Gate mit der entsprechenden Zeile im Gitter.

Solange das Control Gate diese Verbindung herstellt, hat die Speicherzelle einen digitalen Wert von 1, was bedeutet, dass das Bit gelöscht ist. Um die Zelle in einen digitalen Wert von 0 zu ändern, das heißt das Bit zu programmieren, muss ein Prozess stattfinden, der als Fowler-Nordheim-Tunneling oder einfach als Tunneling bezeichnet wird.

Durch das Tunneling ändert sich die Art und Weise, wie die Elektronen im Floating Gate platziert werden. Eine Signalspannung wird entlang der jeweiligen Spaltenleitung des Gitters gesendet, tritt in das Floating Gate ein und leitet die Ladung des Floating Gates nach Masse ab. Diese Änderung bewirkt, dass Elektronen durch die Oxidschicht geschoben werden und die Ladung auf der Oxidschicht verändert wird, wodurch eine Barriere zwischen dem Floating Gate und dem Control Gate entsteht. Wenn diese Änderung die Ladung unter eine bestimmte Schwellenspannung fallen lässt, wird der Wert der Zelle zu einer digitalen 0. Eine Flash-Zelle kann gelöscht werden, das heißt zu einer digitalen 1 zurückkehren, indem eine Ladung mit höherer Spannung angelegt wird, die das Tunneling stoppt und eine Ladung an das schwebende Gate zurückgibt.

Für diesen Vorgang ist eine Spannung erforderlich, die von einem aktiven Steuerschaltkreis bereitgestellt wird. Die Zellen, aus denen der Flash-Speicher besteht, behalten jedoch ihren geladenen oder entladenen Zustand auf unbestimmte Zeit bei, sobald die externe Stromversorgung des Chips unterbrochen wird. Das macht den NAND-Flash-Speicher nicht flüchtig.

Der Lade- und Tunneling-Prozess, der in einer Flash-Zelle stattfindet, bringt Verschleiß für die Transistoren mit sich, und die Zelle kann nur eine begrenzte Anzahl von Malen programmiert und gelöscht werden, bevor die Zelle ausfällt. Dieses Flash-Konzept wird Speicherverschleiß oder einfach nur Abnutzung genannt.

Geschichte und Entwicklung von NAND-Flash-Speichern

Flash Memory hat seine Wurzeln in der Entwicklung von Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs). Die MOSFET-Technologie wurde 1959 entwickelt, wobei die Entwicklung von MOSFETs mit Floating Gate 1967 erfolgte. Die Entwickler dieser frühen Transistoren erkannten, dass die Bauelemente Zustände ohne externe Stromversorgung halten konnten, und schlugen ihre Verwendung als Floating-Gate-Speicherzellen für Programmable-Read-Only-Memory-Chips (PROM) vor, die sowohl nichtflüchtig als auch reprogrammierbar sein würden - ein potenzieller Flexibilitätsvorteil gegenüber bestehenden ROM-Chips. Diese Transistoren bildeten bis in die 1970er Jahre die Grundlage für Erasable PROM- (EPROM) und EEPROM-Bausteine, die jedoch nur begrenzt eingesetzt wurden.

Die Entwickler von Toshiba waren die ersten, die Gruppen von Flash-Speicherzellen in Blöcken oder Gruppen umstrukturierten und die Schaltungen hinzufügten, mit denen ganze Blöcke schnell gelöscht werden konnten. Dieses schnelle Löschen wurde als „Flash“ (zu deutsch Blitz) bezeichnet, und der Name blieb haften. NOR-Flash wurde 1984 vorgeschlagen, NAND-Flash 1987.

Toshiba stellte 1987 einige der ersten NAND-Flash-Geräte her, während Intel 1988 NOR-Flash-Geräte produzierte. Auf NAND basierende austauschbare Memory-Karten wie SmartMedia erschienen Mitte der 1990er Jahre in verschiedenen Varianten, darunter MultiMediaCard und andere Formfaktoren. Herausnehmbare Karten wie miniSD und microSD wurden weiterentwickelt und boten eine bessere Leistung bei kleineren Formfaktoren.

In den 2000er- und 2010er-Jahren machten die Hersteller Fortschritte bei der Dichte, Leistung und Zuverlässigkeit von NAND-Flash-Speichern, die die Vorteile der neuen Zellentechnologien wie Multi-Level Cell (MLC) mit zwei Bits pro Zelle, Triple-Level Cell (TLC) mit drei Bits pro Zelle und Quad-Level Cell (QLC) mit vier Bits pro Zelle nutzten. Weitere Fortschritte in der Memory-Zellentechnologie ermöglichen das Stapeln von Speicherzellen in Schichten, um eine noch größere Flash-Speicherkapazität zu erreichen.

Arten von NAND-Flash-Speichern

Zu den gängigen Typen von NAND-Flash-Speichern gehören SLC, MLC, TLC, QLC und 3D-NAND. Der Unterschied zwischen den einzelnen Typen ist die Anzahl der Bits pro Zelle. Je mehr Bits in jeder Zelle gespeichert sind, desto günstiger ist der NAND-Flash-Speicher.

• SLC, oder Single-Level Cell, speichert ein Bit pro Zelle. SLC hat die höchste Lebensdauer, ist aber auch der teuerste Typ von NAND-Flash-Speicher.
• MLC (Multi-Level Cell) speichert zwei Bits pro Zelle. Da Lösch- und Schreibzyklen zweimal häufiger vorkommen, hat MLC im Vergleich zu SLC eine geringere Langlebigkeit. Dafür ist es aber auch günstiger. Viele PCs nutzen MLC-Technologie.
• TLC, oder Triple-Level Cell, speichern drei Bits pro Zelle. Viele Verbraucherprodukte verwenden diese Speicherart, da sie preiswerter, aber weniger leistungsfähig ist.
• QLC, oder Quad-Level Cell, speichert vier Bits pro Zelle. QLCs haben eine noch geringere Ausdauer und sind im Allgemeinen preiswerter.
• 3D NAND: 2D oder planar NAND hat nur eine Schicht von Speicherzellen, während 3D NAND Zellen übereinander stapelt. Samsung bezeichnet 3D-NAND als Vertical NAND oder V-NAND.

NAND-Flash-Mangel

Der ständige Bedarf an Datenspeicher und tragbaren Geräten hat zu einem Mangel an NAND-Flash-Chips geführt. Die NAND-Flash-Verknappung begann im Jahr 2016 und wird bis 2021 anhalten. Der Mangel ist zum Teil auf die Nachfrage zurückzuführen, aber auch darauf, dass die Hersteller von der Herstellung von 2D- oder planarem NAND auf die wesentlich dichtere 3D-NAND-Technologie umstellen. Die Herstellung von 3D-NAND-Chips ist ein komplizierterer Prozess.

Heute sind Solid State Drives (SSDs) und Smartphones die Haupttreiber des NAND-Flash-Marktes. Der Markt für NAND-Flash-Speicher erreichte im Jahr 2020 über 46 Mrd. USD und wird voraussichtlich bis 2026 über 85 Mrd. USD erreichen.

NAND-Flash vs. NOR-Flash

Die beiden Hauptarten von Flash sind NAND- und NOR-Flash-Speicher, die ihre Namen von ihren jeweiligen Logikgattern erhalten haben.

NAND Flash Memory wird in Blöcken beschrieben und gelesen, die kleiner als das Gerät sind, während NOR-Flash-Speicher Bytes unabhängig voneinander lesen und schreiben. Zu den Anwendungsfällen für NOR- und NAND-Flash-Speicher gehören Laptops und Desktop-Computer, Digitalkameras und Audio-Player, Smartphones, Videospiele sowie wissenschaftliche, industrielle und medizinische Elektronik.

NAND-Flash bietet schnellere Lösch- und Schreibzeiten als NOR-Flash, während die NAND-Technologie eine höhere Dichte bei geringeren Kosten pro Bit bietet. NAND bietet außerdem eine bis zu 10-mal höhere Ausdauer als NOR.

NAND ist kein geeigneter Ersatz für ROM, da es keinen zufälligen (Random) Zugriff auf Byte-Ebene bietet, was für auf ROM gespeicherte Daten normalerweise erforderlich ist. NOR-Speicher sind ein guter Ersatz für RAM- und ROM-Laufwerke. NAND ist eher mit sekundären Speichergeräten wie Festplatten verwandt. Daher eignet sich NAND-Flash gut für Massenspeicheranwendungen wie SSDs.

Grenzen und Herausforderungen von NAND Flash Memory

Flash-Speichertechnologien haben modernen elektronischen Geräten enorme Vorteile verschafft - von nichtflüchtigen Speicherkarten in Kameras bis hin zu SSDs der Unternehmensklasse. Doch trotz dieser Vorteile weisen Flash-Technologien wie NAND-Flash-Speicher einige wichtige Einschränkungen und Herausforderungen auf, die sich auf die Leistung und Zuverlässigkeit auswirken, darunter Verschleiß, Löschen, Crosstalk und Empfindlichkeit.

• Flash Memory hat eine begrenzte Anzahl von Programm-/Löschzyklen (Program/Erase Cycle). Die meisten grundlegenden Flash-Produkte sind für 100.000 P/E-Zyklen ausgelegt, bevor die Integrität der Speicherzellen versagt, obwohl einige Typen von NAND-Flash-Chips für 1 Million P/E-Zyklen oder mehr ausgelegt sind. Die Abnutzung wird in der Regel durch die Verteilung der Schreibvorgänge auf das gesamte Flash-Gerät gemildert, was als Wear Leveling bezeichnet wird. Zur Unterstützung des Bad-Block-Managements können auch Write-Amplification- und Remapping-Techniken eingesetzt werden. Es ist erwähnenswert, dass die Lesezyklen nicht begrenzt sind.
• Obwohl Flash Memory byte- oder wortweise beschrieben werden kann, muss Flash-Speicher in ganzen Blöcken gelöscht werden. Wenn ein Block gelöscht wird, werden alle Bits auf 1 gesetzt. Sobald ein Bit auf 0 gesetzt wurde, muss der gesamte Block gelöscht werden, um ein Bit wieder auf 1 zu setzen. Das Löschen eines Blocks dauert eine endliche Zeit, bevor neue Schreibvorgänge stattfinden können, was die Gesamtleistung des Flash-Speichers im Vergleich zu anderen Formen flüchtiger Speicher, wie dynamischem RAM (DRAM), einschränkt. Das Löschen ist auch Teil des Problems der Speicherabnutzung.
• Das Lesen von NAND Flash Memory kann dazu führen, dass sich nahe gelegene Speicherzellen mit der Zeit verändern. Dieses Phänomen wird als Lesestörung (read disturb) bezeichnet. In der Praxis kann es Hunderttausende von Lesevorgängen brauchen, um eine Bitänderung zu verursachen - es ist viel wahrscheinlicher, dass der Block gelöscht und neu programmiert wird, lange bevor der Schwellenwert für Lesestörungen erreicht ist. Der Flash-Schaltkreis kann jedoch Lesezyklen zählen und eingreifen, um den Block zu kopieren, bevor es zu einer Lesestörung kommt.
• Hochenergetische Teilchen, wie zum Beispiel Röntgenstrahlen, können in einem Array von Flash-Speicherzellen manchmal 0en in 1en verwandeln. Es gibt röntgenstrahlenresistente Speicherbausteine, um solche Probleme zu vermeiden.

NAND-Flash-Speicherindustrie und -Anbieter

Laut Mordor Intelligence wurde der Markt für NAND-Flash-Speicher im Jahr 2020 auf über 46 Mrd. USD geschätzt, und es wird prognostiziert, dass er bis 2026 85 Mrd. USD überschreiten wird - eine CAGR von 11,27 Prozent. Dieses Wachstum wird voraussichtlich durch die Nachfrage von Computergeräten wie Smartphones, Speicherkarten, SSDs und sogar speicherintensiven Projekten wie der künstlichen Intelligenz angetrieben. Weltweit gibt es sechs große Hersteller von NAND-Flash-Speichergeräten (Status Juli 2022), darunter:

• Samsung Electronics
• Kioxia
• Western Digital (WD) Corporation
• Micron Technologie
• SK Hynix
• Intel

Weiterentwicklung von NAND Flash Memory

NAND Flash Memory ist zu einem wesentlichen Bestandteil moderner mobiler elektronischer Geräte geworden. Mit der zunehmenden Verbreitung dieser Geräte und dem Bestreben, mehr Funktionen und Merkmale zu bieten, werden immer größere Mengen an NAND-Flash-Speicher benötigt, um den wachsenden Code- und Datenspeicherbedarf zu decken.

Das Hauptziel des Designs und der Entwicklung von NAND-Flash-Speichern ist die Dichte - mehr Bits in kleinere und flachere Chips zu packen. In den letzten Jahren wurde von SK Hynix ein 4D-NAND mit 128 Schichten entwickelt. Dies ermöglicht die Produktion von praktischen 1-TB-NAND-Speichergeräten mit einer Chipdicke von nur 1 mm - ideal für Smartphones. In ähnlicher Weise hat Samsung einen V-NAND-Baustein mit mehr als 100 Schichten hergestellt, der eine bessere Speicherleistung durch geringere Latenz und geringeren Stromverbrauch bietet.

Diese grundlegenden Bestrebungen nach größerer Kapazität und besserer Leistung werden wahrscheinlich die Zukunft der NAND-Geräte bestimmen. Die Hersteller entwickeln bereits 192-lagiges 3D-NAND, und 256-lagige NAND-Bausteine sind in der Pipeline. Die Hersteller werden diese Ziele durch den Einsatz innovativer Flash-Schaltkreisdesigns sowie immer besserer Halbleitermaterialien und Fertigungstechnologien zur Herstellung von Flash-Wafern erreichen. Gleichzeitig werden die Flash-Hersteller bestrebt sein, die Zuverlässigkeit von NAND-Bausteinen in der Zukunft zu verbessern, indem sie ihre Lebensdauer verlängern und das Potenzial für Bitfehler - wie beispielsweise Lesefehler - reduzieren.