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Flash Speicher ist ein Speicherbaustein der Daten auch ohne ständige Stromversorgung dauerhaft speichern kann. Somit macht es nichts, wenn ein Flash Speicher von einer Stromquelle getrennt wird, der Speicherinhalt beleibt erhalten.
Das ist ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichem (SD)RAM-Speicher, so wie er in Computern verwendet wird. Nimmt man diesen den Strom weg, ist der Speicher sofort gelöscht.

 

Wie funktioniert der Flash Speicher?

Flash-Speicherchip aus einem USB-SpeicherstickDer Flash Speicher besteht meistens nur aus einem elektronischen Baustein, einem so genannten "EEPROM" (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), was übersetzt etwa "elektrisch löschbarer, programmierbarer Nur-Lese-Speicher" bedeutet. "Nur-Lese-Speicher" darum, weil ein EEPROM zum beschreiben spezielle Techniken benötigt. Früher, benutzte man z.B. "EPROMs", also ohne das  "Electrically".  Diese Bausteine konnten nur mit speziellen Lösch- und Schreibgeräten programmiert werden.
Heutige EEPROMs, wie diese in Flash Speichern verwendet werden, können mit höheren elektrischen Stromimpulsen (zwischen 10 bis 18 Volt) gelöscht und beschrieben werden. Diese Speicherchips nennt man auch "MLC" (Multi-Level-Cell).

 

Ein solcher EEPROM besteht aus einer Matrix mit so genannten "Feldeffekt-Transistoren". Jedes Bit entspricht einem solchen Transistor. Um Daten zu speichern werden in diese "Transistor-Matrix" nun elektrische Ladungen (positive Stromimpulse) "gesendet". Dabei entspricht meistens eine "1" für Transistor ist mit elektrischer Ladung gefüllt, und "0" Transistor ist nicht geladen.
Diesen Zustand behalten "Feldeffekt-Transistoren" eine sehr lange Zeit bei. Die Daten können somit beliebig oft ausgelesen werden. Die Hersteller schreiben, dass die elektrische Ladung etwa bis zu 10 Jahren erhalten belieben soll.

 

Zum löschen dieser Ladungen benutzt man bei "EEPROMs", wie oben bereits erwähnt, eine höhere negative Spannung. Diese "durchbricht" eine Isolierschicht im Feldeffekt-Transistor und hebt damit die Ladung auf. Der Transistor ist danach wieder "leer". Bei Flash-Speicher EEPROMs können meistens so immer nur ganze "Blöcke" an "Feldeffekt-Transistoren" gleichzeitig gelöscht werden.

 

Welche Lebensdauer hat ein Flash-Speicher?

 

Das was einen Flash-Speicher stark belastet ist der Löschvorgang. Hier muss eine verhältnismäßig hohe Spannung durch eine Isolierschicht dringen um die Ladung im Feldeffekt-Transistor aufzuheben. Bei jedem Löschvorgang wird etwas von der Isolierschicht abgebaut. Ist die Isolierschicht zu dünn, kann der Transistor die Ladung nicht mehr halten, das entsprechende "Bit" ist damit defekt. Allerdings ist dadurch nicht der ganze Speicher unbrauchbar. Die Hersteller benutzen in diesen Fällen spezielle Algorithmen um defekte Speicherzellen einfach auszublenden. Erst wenn eine ganze Reihe Speicherzellen defekt sind, sollte der Flash Speicher ausgewechselt werden. Heute versprechen die Hersteller von Flash-Speichern eine Haltbarkeit zwischen 100.000 bis 1.000.000 Löschzyklen je Speicherstelle.

 

Welche Vorteile hat Flash Speicher?

 

Gegenüber anderen Speicherarten hat Flash Speicher einige Vorteile:

  • Daten bleiben auch ohne ständige Spannungsversorgung lange erhalten
  • Sehr geringer Stromverbrauch im Betrieb
  • Unempfindlich gegenüber Erschütterungen und magnetischen Feldern
  • Das auslesen des Speichers funktioniert sehr einfach
  • Flash Speicher erzeugt fast keine Wärme im Betrieb
  • Sehr kleine Bauformen sind möglich (z.B. in Speicherkarten)

Welche Nachteile hat Flash Speicher?

 

Da wo Licht ist, ist auch Schatten. Flash Speicher hat auch einige Nachteile:

  • Gegenüber Festplatten und optischen (CD/DVD) Speichermedien sehr teuer
  • Langsamer als RAM-Speicher (besonders beim schreiben)
  • Der Speicher muss zuerst gelöscht werden, bevor dieser neu beschreibbar ist
  • Meistens können bei Flash Speicher nur ganze Blöcke gelöscht werden, keine einzelnen Bits
  • Für die Ansteuerung wird eine eigene Elektronik (Controller) benötigt
  • Nach einer gewissen Anzahl an Löschvorgängen ist eine Speicherzelle defekt

Wo wird Flash Speicher heute eingesetzt?

 

Flash Speicher ist durch seine Eigenschaften heute eine weit verbreitete Speicherart geworden. Die Speicher findet man z.B.:

Welche Flash-Speicher Arten gibt es?

 

Die Ersten Flash-Speicher wurden als so genannte "NOR Flash Speicher" hergestellt. "NOR Flash-Speicher" ist recht einfach herzustellen und wird über klassische Adress- und Daten-Bus Schnittstellen angesprochen. Dadurch ist der Aufwand zum speichern und laden von Daten sehr gering. Auch lässt sich "NOR Flash-Speicher" nahezu fehlerfrei produzieren.
"NOR Flash-Speicher" ist aber langsam und benötigt viel Platz für die einzelnen Speicherzellen. Somit sind "NOR Flash-Speicher" für große Speicherchips ungeeignet. Des Weiteren besitzt "NOR Flash-Speicher" den Nachteil nicht uneingeschränkt Speicherzellen beschreiben und vor allem löschen zu können. Beim beschreiben ist nur ein Wechsel der einzelnen Bits von "1" auf "0" möglich, gelöscht werden kann NOR Flash-Speicher sogar nur "Blockweise". Heute verwendet man daher für USB-Speichersticks und Speicherkarten überwiegend NAND Flash-Speicher.
"NOR Flash-Speicher" wird überall dort eingesetzt, wo es nicht auf große Speichervolumen und Schnelligkeit ankommt.

 

Aktuelle Flash-Speicher werden in der so genannten NAND-Technik gefertigt. "NAND Flash-Speicher" kann deutlich kleiner hergestellt werden, ist preiswerter in der Produktion und hat eine höhere Schreib- und Lesegeschwindigkeit. Allerdings hat auch die NAND-Technik einige Nachteile:
"NAND Flash-Speicher" arbeitet "Page- und Blockorientiert". Das heißt, eine so genannte Page wird in der Regel aus 512 Bytes zusammengefasst. Mehrere Pages werden dann zu etwa 16 kByte großen Blöcken gruppiert. Eine Page, also 512 Bytes, kann nur einmal beschrieben werden. Ein erneutes schreiben ist erst nach einem Löschvorgang der Page wieder möglich. Löschen ist aber nur Blockweise, also in 16 kByte großen Blöcken, möglich.

Außerdem kann "NAND Flash-Speicher", gegenüber "NOR Flash-Speicher" technisch nicht fehlerfrei hergestellt werden. Fehlerhafte Bytes werden von einer internen Fehlerkorrektur als "defekt" markiert und automatisch vom beschreiben ausgeschlossen. Das geschieht auch während des Betriebes, wenn weitere Fehler festgestellt werden.

Sowohl die Ansteuerung als auch die Verwaltung benötigt gegenüber "NOR Flash-Speichern" einen deutlich höheren Softwareaufwand des Controllers, da einzelne Bytes nur anhand der "Page- und Blockstruktur" angesprochen werden können. Dennoch überwiegen bei "NAND Flash-Speichern" die Vorteile, so dass diese Speicherart heute überwiegend bei USB-Speichersticks und Speicherkarten verwendet wird.

 

Was bedeutet NOR bzw. NAND?

 

Die Bezeichnungen "NOR" und "NAND" kommen aus dem Bereich der logischen Schaltungen. Dabei werden Schaltungen erstellt, die aus zwei oder mehr Eingängen und einem Ausgang bestehen. Es gibt an allen Eingängen und am Ausgang immer nur zwei Zustände: "0" oder auch "keine Spannung" sowie "1" oder auch "Spannung vorhanden". Je nach Schaltungsart verhält sich der Ausgang immer anders, je nachdem wie die Eingänge beschaltet werden.

  • "NOR" ist eine Kombination aus den zwei logischen Grundschaltungen "NOT" und "OR" oder auf Deutsch "NICHT" und "ODER". Bei dieser Schaltungsform liegt am Ausgang nur dann eine "1" (Spannung) an, wenn an keinem der Eingänge eine "1" anliegt. Sobald ein beliebiger Eingang also auf "1" umschaltet, schaltet der Ausgang auf "0".
  • Auch "NAND" ist eine Kombination aus zwei logischen Grundschaltungen "NOT" und "AND" oder auf Deutsch "NICHT" und "UND". Bei dieser Schaltungsform liegt am Ausgang solange eine "1" (Spannung) an, solange nicht alle Eingänge auf "1" schalten. Erst wenn an allen Eingängen eine "1" (Spannung) anliegt, schaltet der Ausgang auf "0" (keine Spannung).

Würde man beide Schaltungen auf herkömmliche Weise, also mit echten Schaltern als Eingänge nachbauen, wäre die "NOR" Schaltung eine so genannte "Parallelschaltung" und die "NAND" Schaltung eine so genannte "Reihenschaltung".

 

Was bedeutet SLC und MLC?

 

Neben der oben beschriebenen Unterscheidung zwischen "NOR-" und "NAND-" Speicherchips gibt es noch die Unterscheidung SLC- Chips (Single-Level-Cell) und MLC- Chips (Multi-Level-Cell) bei Flash-Speichern.
Anfangs wurden in einer Speicherzelle (Transistor) meistens zwei Bits gleichzeitig abgelegt. Diese Speicherchips bezeichnet man als MLC- Chips (Multi-Level-Cell).
Um die Geschwindigkeit zu erhöhen, setzt man heute überwiegend auf SLC- Chips (Single-Level-Cell). Bei diesen wird in einer Speicherzelle (Transistor) nur noch ein Bit gespeichert. Dadurch ist es leichter und vor allem schneller möglich, die einzelnen Bits anzusprechen. SLC Flash Speicher ist somit schneller als MLC Flash-Speicher. Zwei weitere Vorteile besitzen SLC- Chips: diese haben einen noch geringeren Stromverbrauch und eine höhere Lebenserwartung.

 

Wie geht es weiter?

 

Bereits noch einen Schritt weiter sind inzwischen (2008) die Firmen Micron und Intel, diese haben nun einen Flash-Speicher entwickelt, der etwa fünf mal schneller wie SLC Flash-Speicher sein soll. Es wurde dabei sowohl die Lese- als auch die Schreibgeschwindigkeit deutlich erhöht. Dieser so genannte "High-Speed-NAND" Flash-Speicher soll eine Zugriffsgeschwindigkeit von 200 MB/s beim Lesen und bis zu 100 MB/s beim Schreiben erreichen. Damit eignen sich diese Flash-Speicher Chips sehr gut z.B. für den Einsatz in "Solid State Disks (SSD)" und in "Hybridfestplatten".
Für den Einsatz solch schneller Flash-Speicher Bausteine wird auch eine schnelle Anbindung an den Computer benötigt. Diese liefert heute eigentlich nur S-ATA.

Erst der neue USB Standard 3.0 wird auch schnell genug für externe "High-Speed-NAND Flash-Speicher" sein. Dieser USB Standard ist derzeit aber noch in der Entwicklung und noch nicht verfügbar.

 

Fazit:

 

Die Entwicklung geht stetig weiter. Inzwischen ist Flash Speicher gerade im Bereich bis 2 GB sehr günstig geworden. Man arbeitet auch stetig daran sowohl die Schreibgeschwindigkeit als auch die Haltbarkeit zu erhöhen (siehe oben). Außerdem möchte man natürlich auch das Speichervolumen noch deutlich erweitern.
In naher Zukunft soll Flash Speicher die heutigen Festplatten komplett ersetzen. Erste so genannte "Solid State Disks (SSD)" sind bereits erhältlich, wenn auch nur mit verhältnismäßig geringer Speicherkapazität. Einen Zwischenschritt baut man mit den so genannten "Hybridfestplatten". Dort ergänzt Flash Speicher die Festplattentechnik.
In diesem Bereich können wir wohl noch so einiges erwarten…

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Letzte Aktualisierung: 25.02.2017
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