Fortschritte in der Speichertechnologie

Haben Sie schon einmal die Frustration erlebt, Stunden an Arbeit zu verlieren, wenn Ihr Computer plötzlich herunterfährt? Oder sich gefragt, wie Ihr Smartphone oder USB-Laufwerk wertvolle Fotos und Videos ohne ständige Stromversorgung speichert? Die Antwort liegt in einer bemerkenswerten Technologie namens Flash-Speicher – dem „Speicherchip“ der digitalen Welt, der Ihre Daten auch ohne Strom erhält.

Flash-Speicher ist eine Art nichtflüchtiger Speicher, was bedeutet, dass er Informationen ohne Strom speichert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Festplatten (HDDs) enthält Flash-Speicher keine beweglichen Teile, wodurch er widerstandsfähiger gegen mechanische Stöße, extreme Temperaturen und hohen Druck ist. Er ermöglicht das Schreiben und Löschen von Datenblöcken auf Byte-Ebene und bietet außergewöhnliche Flexibilität.

Das Herzstück des Flash-Speichers ist die Speicherzelle, die auf Floating-Gate-Transistoren basiert. Diese mikroskopisch kleinen elektronischen Schalter steuern den Stromfluss durch jede Zelle. Flash-Chips ordnen diese Zellen in einem Rastermuster an, ähnlich wie Stadtblöcke. Speicherzellen sind in Zeilen angeordnet, die als Bit-Leitungen bezeichnet werden, wobei jeder Schnittpunkt einen Transistor mit zwei Gates enthält: ein Steuer-Gate und ein Floating-Gate.

Das Floating-Gate, das zwischen dem Steuer-Gate und dem MOSFET-Transistor-Chip mit einer dünnen Oxidschicht (Siliziumdioxid SiO2) als Isolierung eingebettet ist, ist der Schlüssel zur Datenspeicherung. Wenn Strom das Steuer-Gate erreicht, fließen Elektronen in das Floating-Gate und erzeugen eine positive Nettoladung, die den Strom unterbricht. Die Oxidschicht isoliert das Floating-Gate und fängt Elektronen (und Daten) sicher für die langfristige Speicherung ein.

Flash-Speicher entstand nicht über Nacht, sondern entwickelte sich über Jahrzehnte der Innovation. Frühe Computer verwendeten Read-Only-Memory (ROM)-Chips für grundlegende Eingabe-/Ausgabesysteme (BIOS), aber diese konnten nicht modifiziert werden. Der Übergang zu Flash-Speicher für die BIOS-Speicherung ermöglichte das Umschreiben ohne physischen Chip-Austausch.

1967 schlugen die Forscher Dawon Kahng und Simon Min Sze von Bell Labs vor, das Floating-Gate von MOSFETs für programmierbares ROM umzufunktionieren. Der Intel-Ingenieur Dov Frohman erfand 1971 das löschbare programmierbare ROM (EPROM) mit einem transparenten Fenster zur UV-Löschung. Daraus entwickelte sich das elektrisch löschbare PROM (EEPROM), das elektrische Signale zum Löschen verwendete.

Der Durchbruch gelang in den 1980er Jahren, als Dr. Fujio Masuoka von Toshiba den modernen Flash-Speicher entwickelte. Die Technologie erhielt ihren Namen, als Kollegen feststellten, wie Halbleiterdaten „im Handumdrehen“ gelöscht werden konnten – wie bei einem Kamerablitz.

Flash-Speicher gibt es hauptsächlich in zwei Architekturen mit unterschiedlichen Eigenschaften:

NAND-Flash, benannt nach seinen „NOT AND“-Logikgattern, verfügt über vertikal angeordnete Zellen. Die Programmierung erfolgt, wenn Strom das Steuer-Gate erreicht und Elektronen zum Floating-Gate sendet. Die Oxidschicht hält diese Ladung aufrecht, bis sie durch Anlegen von Spannung zum Entladen des Floating-Gates gelöscht wird.

Die NAND-Herstellung umfasst über 800 Prozesse über etwa einen Monat, um 12-Zoll-Wafer herzustellen, die später in daumennagelgroße Chips geschnitten und nach Qualität sortiert werden. Zu den Vorteilen gehören:

• Keine beweglichen Teile für höhere Haltbarkeit
• Höhere Kapazität zu geringeren Kosten
• Bessere Vibrationsbeständigkeit als HDDs

Zu den Einschränkungen gehören begrenzte Schreibzyklen und sich entwickelnde Zellarchitekturen von Single-Level (SLC), die 1 Bit pro Zelle speichern, bis hin zu Quad-Level (QLC)-Designs, um den wachsenden Datenanforderungen gerecht zu werden.

NOR-Flash basiert auf „NOT OR“-Logikgattern und verbindet Zellen horizontal parallel zu Bit-Leitungen, wodurch ein individueller Zugriff ermöglicht wird. Diese Architektur bietet:

• Schnellere Lesegeschwindigkeiten
• Höhere Schreibausdauer
• Zufallszugriffsfähigkeit

Diese Eigenschaften machen NOR ideal für Verkehrsleitsysteme, industrielle Automatisierung und Geräte, die Speicher mit Codeausführung kombinieren. Größere Zellgrößen führen jedoch zu langsameren Schreib-/Löschgeschwindigkeiten im Vergleich zu NAND.

Keine der beiden Technologien erreicht die Geschwindigkeit des Cache-Speichers oder DRAM (der 100x schneller, aber flüchtig ist). Die Leistung hängt von der Anwendung ab – NOR zeichnet sich durch schnelles Lesen aus, während NAND bei Datenverwaltungsaufgaben besser abschneidet.

Flash-Speicher ist allgegenwärtig geworden und treibt alles von Smartphones bis zu Servern an. Das Verständnis der NAND- und NOR-Eigenschaften hilft bei der Auswahl des optimalen Speichers:

• Wählen Sie NAND für Hochleistungsspeicher, kostengünstigen Speicher in Verbrauchergeräten und Massendatenanwendungen
• Entscheiden Sie sich für NOR wenn schnelle Lesevorgänge, hohe Zuverlässigkeit und Codeausführung in eingebetteten Systemen erforderlich sind

Da die Datenanforderungen wachsen, entwickelt sich die Flash-Technologie ständig weiter und stellt sicher, dass unsere digitalen Erinnerungen auch dann bestehen bleiben, wenn die Stromversorgung ausfällt.