NAND Flash Speicher: Wie nicht-flüchtige Halbleiterspeicher funktionieren

NAND Flash Speicher, wie sie in unseren USB-Sticks verwendet werden, sind in den letzten Jahren durch den Siegeszug von USB-Sticks als mobile Datenträger und elektronische Werbemittel sowie dem ungebrochenen Erfolg von Smartphones und Tablet PCs zu einer Schlüsseltechnologie in den ersten beiden Dekaden des 21. Jahrhunderts geworden.

NAND Flash Speicher zählen zur Gruppe der nicht-flüchtigen Halbleiterspeicher oder Semikonduktoren, die im Unterschied zu magnetischen Medien wie Disketten, Floppy-Disks oder optischen Speichermedien wie CD und DVD – die gespeicherten Daten sehr schnell elektronisch schreiben, lesen oder auch löschen können.

Die Schnelligkeit des Datenzugriffs von NAND Speichern kommt in dem Begriff „Flash“ zum Ausdruck, arbeiten doch NAND Flash Speicher so schnell wie ein Blitz.

Durch hohe Performance, immer kleiner werdenden Platzbedarf und  geringeren Herstellungskosten hat sich dabei die NAND Architektur als Herstellungsmethode für die Speichermedien von Konsumartikeln wie USB-Sticks, Gadgets und anderen elektronischen Geräten durchgesetzt.

NAND Flash Speicher: Wir zeigen, wie´s geht

Wie funktionieren solche NAND Flash Speicher? Die NAND-Architektur besteht aus einem Gatter, bei denen Floating-Gate-Transistoren zu einzelnen Blöcken und Pages zusammengefasst sind. Die Anzahl der auf den Floating-Gate-Transistoren möglichen Spannungszuständen oder Spannungslevel bestimmt dabei die unterschiedlichen Arten der NAND-Architektur: SLC, MLC oder TLC.

NAND SLC: Single-Level-Cell Chips als Porsche unter den USB-Sticks

Die ursprünglichste Art der NAND Flash Speicher Technologie, SLC oder Single-Level-Cells, können ein Bit pro Transistor speichern.  SLC hat den Vorteil, sehr schnell, langlebig und performant zu sein. Da aber mehr Transistoren benötigt werden bei höherem Platzbedarf, sind die Herstellungskosten recht hoch.

Multi-Level-Cell MLC: Kostengünstig und platzsparend

MLC oder Multi-Level-Cell können mehr als ein Bit pro Zelle abspeichern, wodurch auf weniger Platz sehr viel mehr Daten abgespeichert werden können.  Man kann den Platzbedarf und die Speicherkapazität von SLC und MLC gut mit einer Siedlung von Einfamilienhäusern im Vergleich zu Wolkenkratzern vergleichen.

Da bei der Herstellung der NAND Flash Speicher die zu produzierende Chipfläche den wichtigsten Kostenfaktor darstellt, ist die NAND-MLC-Herstellung wesentlich kostengünstiger als die Produktion von SLC-Chips.

Da aber mehr mögliche Spannungszustände innerhalb eines Floating-Gate- Transistors auch fehleranfälliger beim Lesen sind (die Toleranz zwischen zwei unterschiedlichen Spannungszuständen ist bei NAND MLC geringer als bei SLC), stellt MLC grundsätzlich höhere Anforderungen an die Fehlerkorrektur des IC-Controllers und der Firmware.

Es sollte an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass bei der Wahl des IC-Controllers nicht am falschen Ende gespart werden soll, lassen doch gerade Angebote von USB-Sticks für unter 3 Euro darauf schließen, dass am IC-Controller gespart worden ist, was zu einer wesentlich kürzeren Lebensdauer des USB-Sticks führt.

Die Zukunft: TLC Triple-Level-Cell und 3D NAND Speicher

Doch zurück zum NAND Flash Speicher: Verfügt SLC mit 1 Bit über 2 mögliche Spannungszustände, MLC mit 2 Bit über 4, geht der Trend immer weiter dazu über, mit mehr variablen Spannungszuständen in den Zellen (bei kleinerem Platzbedarf und geringeren Kosten) mehr Bits und damit Daten unterzubringen.

Die NAND TLC Technologie (TLC steht hier für Triple-Level-Cell) kann mit 8 unterschiedlichen Spannungszuständen schon 3 Bits darstellen.  Eine solche NAND-Architektur stellt deshalb für die Hersteller von USB-Sticks hohe qualitative Anforderungen an die benutzten IC-Controller und dessen Firmware.

Da der Druck bei den Speicherherstellern zunimmt, immer kleinere Speicherchips bei größeren Datenmengen zu produzieren (um auch kleinere Gadgets wie Mini USB-Sticks oder Smartphones zu ermöglichen),  wird die Zukunft des NAND-Speicher auch in dreidimensionalen Speicherarchitekturen, sogenannten 3D NAND Speichern liegen.

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