Flash-Speicher

Geöffneter USB-Stick – der linke Chip ist der eigentliche Flashspeicher, der rechte ein Mikrocontroller.

Ein Flash-EEPROM (linkes IC), wie es z. B. für die Speicherung des BIOS von PCs verwendet wird.

Flash-Speicher sind digitale Speicherchips; die genaue Bezeichnung lautet Flash-EEPROM. Sie gewährleisten eine nichtflüchtige Speicherung bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch. Flash-Speicher sind portabel und miniaturisiert, es lassen sich jedoch im Gegensatz zu gewöhnlichem EEPROM-Speicher bei neuen Flash-EEPROM Bytes, die kleinsten adressierbaren Speichereinheiten, nicht einzeln löschen. Flash-Speicher sind auch langsamer als gewöhnliche Festwertspeicher (ROM).

Geschichte

Bezeichnung und Name

Die Bezeichnung Flash entstand gemäß einer Anekdote aus dem Entwicklungslabor von Toshiba 1984 so: Shoji Ariizumi, einen Mitarbeiter des Projektleiters Fujio Masuoka, erinnerte der in Blöcken stattfindende Löschvorgang des Speichers an einen Kamerablitz. Er schlug deshalb Flash als Namen vor.^[1]

Entwicklungsgeschichte

Die Geschichte der Flash-Speicher ist eng verbunden mit der Geschichte der Digitalkamera. Das erste CompactFlash-Medium mit vier Megabyte Kapazität wurde 1994 von SanDisk vorgestellt. 1998 stellte Sony den ersten Memory Stick vor, diese werden heutzutage auch in Playstations verwendet.

Heute (2009) finden Flash-Speicher überall dort Anwendung, wo Informationen persistent (nichtflüchtig) auf kleinstem Raum – ohne permanente Versorgungsspannung – gespeichert werden müssen. Dazu zählen auch weiterhin Speicherkarten für Digitalkameras und andere mobile Geräte wie Mobiltelefone und Handhelds. Andere Bauformen beziehungsweise Geräte, in denen diese Speichertechnik genutzt wird, sind USB-Sticks und MP3-Player sowie der bereits historische DiskOnChip. Letztere dienten beispielsweise für die dauerhafte Speicherung der Firmware in vielen Geräten mit Mikrocontrollern (Eingebettete Systeme, BIOS); zum selben Zweck zunehmend auch auf dem Mikrocontroller selbst integriert: embedded flash.

Zunehmend im Interesse steht der Einsatz als Haupt-Massenspeichermedium in Computersystemen. Hier sollen Flash-Speicher in Form von Solid State Drives (dt. Festkörperlaufwerk) zukünftig die herkömmlichen Festplatten (engl. hard disk drive) ersetzen oder ergänzen (vgl. Hybridfestplatten).

Funktionsprinzip

Bei einem Flash-EEPROM-Speicher wird Information (Bits) in einer Speichereinheit (Speicherzelle) in Form von elektrischen Ladungen auf einem Floating-Gate eines Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MISFET) gespeichert. Die Ladungen beeinflussen, wie bei normalen MISFETs, die Ladungsträger im darunter liegenden Gebiet zwischen Source- und Drain-Kontakt (der sogenannte Kanal), wodurch die elektrische Leitfähigkeit des Feldeffekttransistors beeinflusst wird. Anders als das Gate bei normalen MISFETs ist das Floating-Gate von allen anderen Teilen (Kanalgebiet und von Steuer-Gate) durch ein Dielektrikum (derzeit meist Siliziumdioxid) elektrisch isoliert; das Potential auf dem Floating-Gate ist daher im Grunde undefiniert (dies wird auch als schwimmend, englisch floating, bezeichnet).

Damit Information gezielt gespeichert werden kann, müssen jedoch Ladungen auf das Floating-Gate gebracht und wieder entfernt werden können. Diese Änderung des Ladungszustands ist nur durch den quantenphysikalischen Tunneleffekt möglich, der es Elektronen erlaubt, den eigentlichen Nichtleiter zu passieren. Da dies jedoch nur durch große Unterschiede im elektrischen Potential über den Isolator (das eine Potentialbarriere für Ladungsträger darstellt) erfolgen kann, bewirkt die elektrische Isolation des Floating-Gate, dass eingebrachte Ladungen nicht abfließen können und der Speichertransistor seine Information lange Zeit behält. In der Anfangsphase dieser Technik wurden nur zwei Ladungszustände unterschieden, daher konnte nur ein Bit gespeichert werden. Inzwischen sind Flash-EEPROM-Speicher hingegen Multi-Level-Cell-Speicherzellen, bei denen mehrere Bits pro Speichertransistor gespeichert werden; man nutzt hierzu die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit bei verschiedenen Ladungszuständen des Transistors .

Speichern und Lesen

Programmieren einer Flash-Zelle

Löschen einer Flash-Zelle

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 im über das Steuer-Gate aufgesteuerten 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 leitet 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 besonders 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 Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen zum Floating-Gate tunneln, zu erhöhen, wird oft das Verfahren CHE (engl. 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 (typischerweise 10 V) zwischen Gate und Kanal zum Floating-Gate tunneln. (In obiger Abbildung zum Programmieren ist dieses Verfahren – allerdings für eine ältere Technik – angedeutet.)

Anmerkung

Ob der geladene oder ungeladene Floating-Gate-Zustand als jeweils 0- oder 1-Zustand der Speicherzelle angesehen wird, ist implementierungsabhängig. Per Konvention wird aber meist derjenige Zustand des Floating-Gate, der durch blockweises Löschen hergestellt wird, als 0 (‚gelöscht‘) bezeichnet. Entsprechend bezeichnet man den bitweise einstellbaren Zustand als 1 (‚programmiert‘)^[2].

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

• jeweils nur den Übergang in eine Richtung (0 nach 1 oder 1 nach 0) darstellen und
• (oft) nur eine von beiden Bit-selektiv arbeiten kann: das Programmieren.

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, auf welchen Wear-Leveling-Algorithmen implementiert sind, die dafür sorgen, dass auch ohne ein solches optimiertes Dateisystem eine möglichst gleichmäßige Abnutzung des Datenträgers gegeben ist.

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 oder 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 NAND-Flash und NOR-Flash dar.

NAND-Flash

→ Hauptartikel: NAND-Flash

Die Speicherzellen sind in größeren Gruppen (z. B. 1024) hintereinander geschaltet (Reihenschaltung). Das entspricht dem n-Kanal-Zweig eines NAND-Gatters in der CMOS-Technik. Eine Gruppe teilt sich jeweils eine Datenleitung. Lesen und Schreiben ist dadurch nicht wahlfrei möglich, sondern muss immer in ganzen Gruppen sequentiell 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.

Die NAND-Architektur zielt auf Märkte, in denen es auf viel Speicher auf wenig Raum ankommt, weniger jedoch auf geringe Zugriffszeit.

NOR-Flash

→ Hauptartikel: 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 NOR-Architektur setzt auf den Ersatz von UV-löschbaren EPROMs (die zwischenzeitlich von Flash-Bausteinen nahezu ersetzt sind und kaum noch weiterentwickelt werden). Außerdem lassen sich hier erheblich kürzere Zugriffszeiten realisieren: die Parallelschaltung hat den geringeren Widerstand zwischen Stromquelle und Auswerteschaltung.

Nachteile beider Architekturen

Flash-Speicher haben eine begrenzte Lebensdauer, die in einer maximalen Anzahl an Lösch-Zyklen angegeben wird (10.000 bis 100.000 Zyklen für NOR-Flash und bis zu zwei Millionen 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.^[3]

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

Ein weiterer Nachteil ist, dass der Schreibzugriff bei Flash-Speicher erheblich langsamer erfolgt als der Lesezugriff. Zusätzliche Verzögerungen können dadurch entstehen, dass immer nur ganze Blöcke gelöscht werden können.

Techniken

Das wichtigste Kriterium zur Unterscheidung von Flashtechniken ist die Geometrie der Speicherzelle, des Flashtransistors, unter anderem werden folgende Zelltypen unterschieden (dabei können mehrere der nachfolgenden Merkmale zugleich zutreffen):

• die Split-Gate-Zelle
• die ETOX-Zelle, eine vereinfachte Struktur, bei der der nach unten abknickende Teil des Steuer-Gates der Split-Gate-Zelle entfällt, deren Floating-Gate in aller Regel mit CHE geladen wird
• die UCP-Zelle, die in der Regel in beiden Richtungen mit Fowler-Nordheim-Tunneling beschrieben wird
• die NROM-Zelle ohne eigentliches Floating-Gate: hier wird die Ladung direkt in eine Zone des Isolators zwischen Kanal und Steuer-Gate 'geschossen', auch in Ausführungen, bei denen zwei Ladungszonen (eine in Source-, die andere in Drain-Nähe) ausgeprägt werden, wodurch diese Zelle zwei Bit auf einmal speichern kann.
• die 2-Transistorzelle: ein normaler n-Kanal-Transistor und ein Flashtransistor hintereinander. Diese Zelle hat den Nachteil, dass sie größer ist, aber unter Umständen für Programmieren und Löschen einfacher ansteuerbar ist, was bei kleineren Speichergrößen in anderen Schaltungsteilen Flächeneinsparungen bringen kann.
• Multi-Level-Zelle: Hier speichert die Flash-Zelle nicht nur ein Bit, sondern (meist) zwei, inzwischen auch vier^[4] voneinander unabhängige Bitzustände. Diese werden in Leitfähigkeitswerte kodiert, die in der Ausleseelektronik wieder auf die beiden Bits verteilt werden. Der faktischen Verdopplung der Speicherkapazität steht aber die deutlich verlängerte Zugriffszeit (es muss eine analoge Spannung auf vier Niveaus gegenüber nur zwei bei den binären Flash-Zellen überprüft werden) und eine größere Fehlerwahrscheinlichkeit (eine Leitfähigkeitsänderung um ein Viertel des maximalen Leitfähigkeitsunterschied kann bereits den Wert des in der Zelle gespeicherten Niveaus verändern) entgegen.

Speichergrößen

Anfang 2009 liefern mehrere Hersteller (Samsung, Toshiba und andere) NAND-Flash-Speicher mit 16 Gigabyte in SLC-Technik (Single Level Cell) und 32 Gigabyte in MLC-Technik (Multi Level Cell), NOR-Flash-Speicher erreicht zur gleichen Zeit 1 Gigabyte 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 Oxidschicht um das Floating-Gate hindert die Elektronen daran abzufließen. Durch den Löschvorgang degeneriert die Oxidschicht.

Die maximale Anzahl der Löschzyklen von Flash-Speichern ist nicht genau zu ermitteln. Je nach Hersteller, Technik (MLC oder SLC NAND, NOR) und Strukturgröße (50 nm, 34 nm, 25 nm) bewegen sich die offiziellen Herstellerangaben im Bereich von 3.000 bis zu mehreren 100.000.

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 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. Neben einfachen Hamming-Codes kommen vor allem BCH-Codes und Reed-Solomon-Codes 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.

Vor- und Nachteile

Als nichtflüchtiges Speichermedium steht der Flash-Speicher in Konkurrenz vor allem zu Festplatten und optischen Speichern wie DVDs und Blu-ray-Discs.

Vorteile: Da ein Flash-Speicher ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt, bietet er gleich eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Festspeichern: Sowohl der Energieverbrauch als auch die Wärmeentwicklung sind geringer. Außerdem arbeitet der Speicher geräuschlos und ist weitestgehend resistent gegen Erschütterungen. Durch die Implementierung als Halbleiterspeicher ergibt sich ein geringes Gewicht sowie eine kleine Bauform. So erreicht eine 16-GB-microSD-Karte inklusive Plastikgehäuse und Controller eine Datendichte von 139 GB/cm³. Die Zugriffszeiten sind im Vergleich zu anderen Festspeichern sehr kurz. Dadurch wird nicht nur die Leistungsfähigkeit verbessert, es erschließen sich auch neue Anwendungsfelder. So wird ein Flash-Speicher zum Beispiel als schneller Zwischenspeicher benutzt, beispielsweise als ReadyBoost-Cache. Die minimalen Kosten pro Speichersystem können gegenüber Festplatten geringer sein, zum Beispiel bei günstigen Netbooks.

Nachteile: Mit einem flüchtigen Speicher wie RAM (Random-Access Memory) kann die Flash-Technik trotz eines geringeren Preises pro Gigabyte nicht konkurrieren, da die erreichbaren Datenraten bei Flash deutlich geringer sind. Außerdem ist die Zugriffszeit bei NAND-Flash für Lese- und Schreibzugriffe deutlich größer. Bei NOR-Flash trifft dies nur auf die Schreibzugriffe zu. Die Kosten pro Gigabyte sind für Flash-Speicher deutlich größer als für Festplatten und optische Disks. Ein Hauptproblem der Flash-Speicher ist die Fehleranfälligkeit. Sektoren werden vor allem durch Löschzugriffe beschädigt und werden mit der Zeit unbeschreibbar und sind somit defekt (siehe Anzahl der Löschzyklen). Unabhängig davon können permanente Bitfehler auftreten. All diese Fehler können durch geeignete Fehlerkorrekturmaßnahmen versteckt werden, dies ist jedoch aufwendig und erhöht die Komplexität der Flash-Controller. Dennoch lässt es sich nicht verhindern, dass ein Flash-Speicher mit der Zeit kleiner wird, da die Anzahl der benutzbaren Sektoren abnimmt. Im Vergleich mit der Lebensdauer einer Festplatte scheint dieser Effekt nach aktuellen Untersuchungen jedoch vernachlässigbar.^[5]

Literatur

• Boi Feddern, Benjamin Benz: Speicherkarten/FAQ – Flash-Haltbarkeit. In: c’t. Nr. 2., 2007, ISSN 0724-8679, S. 168.

Weblinks

 Commons: Flash-Speicher – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Algorithmus zum Ersatz von EEPROM durch Flash Speicher (englisch)
• NAND vs. NOR Flash Memory von Toshiba (englisch, PDF, 229 KiB)
• Grundlagen der Flash-Technik Fachartikel auf SearchStorage.de

Einzelnachweise

1. ↑ Vojin G. Oklobdzija: Digital design and fabrication. CRC Press, 2008, ISBN 9780849386022, S. 6-4 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
2. ↑ P. Pavan, R. Bez, P. Olivo, E. Zanoni: Flash Memory Cells - An Overview. In: Proceedings of the IEEE. 85, Nr. 8, 1997, ISSN 0018-9219, S. 1248–1271, doi:10.1109/5.622505 (PDF (500 kB)).
3. ↑ Benjamin Benz: Erinnerungskarten – Die Technik der Flash-Speicherkarten. In: c’t. Nr. 23, 2006, ISSN 0724-8679, S. 136ff (Leseprobe).
4. ↑ Christof Windeck: MirrorBit Quad: Vier Bits pro Flash-Speicherzelle. In: Heise-Online. 26. Sep. 2006, abgerufen am 27. März 2009. 
5. ↑ Benjamin Benz, Boi Feddern: Festplatte ade – Wie Flash-Speicher allmählich den PC erobert. In: c't Magazin für Computertechnik. Nr. 21, 2007, S. 100.