Flash-Speicher

Flash-Speicher sind digitale Speicherbausteine für eine nichtflüchtige Speicherung ohne Erhaltungs-Energieverbrauch. Die genaue Bezeichnung dieses Speichertyps lautet Flash-EEPROM. Im Gegensatz zu gewöhnlichem EEPROM-Speicher sind die gespeicherten Informationen in Blöcken organisiert. Flash-Speicher sind langsamer als Festwertspeicher (ROM) und werden in Solid-State-Drives (SSD), Speicherkarten und USB-Speichersticks verwendet.

mini|Geöffneter USB-Stick – der linke Chip ist der eigentliche Flash-Speicher, der rechte ein Mikrocontroller. mini|Ein Flash-EEPROM, wie es z. B. für die Speicherung des BIOS von PCs verwendet wird.

Geschichte Bezeichnung und Name Die Bezeichnung Flash entstand gemäß einer Anekdote aus dem Entwicklungslabor von Toshiba 1984 so: Shoji Ariizumi, ein Mitarbeiter des Projektleiters Fujio Masuoka, fühlte sich durch den blockweise arbeitenden Löschvorgang des Speichers an einen Blitz () einer Fotokamera erinnert, weshalb er Flash als Namen vorschlug.

Entwicklungsgeschichte

Der EPROM wurde von Dov Frohman bei Intel entwickelt. Intel brachte den 2-Kibit-EPROM „1702“ im Jahr 1971 auf den Markt. Der erste kommerzielle Mikroprozessor Intel 4004 von Intel (1971) hätte ohne den EPROM als Programmspeicher wohl weniger Erfolg gehabt.

Allerdings musste der 1702-EPROM zum Löschen ausgebaut und mit UV-Licht bestrahlt werden. Im Jahr 1978 entwickelte Perlegos den 2816-Chip: den ersten EEPROM-Speicher, der ohne Quarzfenster beschrieben und gelöscht werden konnte.spectrum.ieee.org: Remembering the PROM knights of Intel, George Rostky, 3. Juli 2003

NAND-Flash-Speicher wurde ab 1980 von Toshiba entwickelt (veröffentlicht 1984), NOR-Flash ab 1984 von Intel (veröffentlicht 1988).spectrum.ieee.org: 25 Microchips That Shook the World, Brian Santo, 1. Mai 2009 1985 wurde die erste (kurz SSD) in einen IBM Personal Computer eingebaut. Diese Technik war damals so teuer, dass nur das Militär sich für sie interessierte.

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. Als auch M-Systems 1996 eine Solid State Disk auf den Markt brachte, wurden die Flash-Speicher für private Anwender interessant. 1998 stellte Sony den ersten Memory Stick vor; dieser wurden auch in älteren Versionen der PlayStation verwendet.

Flash-Speicher finden überall dort Anwendung, wo Informationen nichtflüchtig (persistent) auf kleinstem Raum – ohne permanente Versorgungsspannung – gespeichert werden müssen. Dazu zählen auch weiterhin Speicherkarten für Digitalkameras und andere mobile Geräte wie Mobiltelefone, Smartphones und Handhelds. Andere Bauformen beziehungsweise Geräte, in denen diese Speichertechnik genutzt wird, sind USB-Sticks und MP3-Player sowie die 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: .

Funktionsprinzip Bei einem Flash-EEPROM-Speicher werden Informationen (Bits) in einer Speichereinheit (Speicherzelle) in Form von elektrischen Ladungen auf einem Floating-Gate oder in einem Charge-Trapping-Speicherelement eines Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistors () gespeichert. In beiden Fällen beeinflussen die Ladungen auf dem Gate (ortsfeste Raumladungen), wie bei normalen MISFETs, die Ladungsträger im darunter liegenden Gebiet zwischen Source- und Drain-Kontakt (dem sogenannten Kanal), wodurch die elektrische Leitfähigkeit des Feldeffekttransistors beeinflusst und dadurch eine dauerhafte Informationsspeicherung möglich 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 , bezeichnet). Bei einem Charge-Trapping-Speicher übernimmt das eine elektrisch nichtleitende Schicht aus Siliciumnitrid; die Elektronen und Defektelektronen werden an Haftstellen (englisch ) ortsfest gehalten. Wenngleich im Strukturaufbau beide Varianten deutliche Unterschiede aufweisen, ist das Funktionsprinzip mit ortsfest gehaltenen elektrischen Ladungen, welche einen MISFET in seinen Eigenschaften beeinflussen, in beiden Fällen dasselbe.

Damit Information gezielt gespeichert werden kann, müssen jedoch Ladungen auf das Floating-Gate bzw. auf die Charge-Trapping-Struktur 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 (der eine Potentialbarriere für Ladungsträger darstellt) erfolgen kann, bewirkt die elektrische Isolation des Floating-Gates, dass eingebrachte Ladungen vom Floating Gate 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 je Zelle gespeichert werden. Inzwischen können Flash-EEPROM-Speicher hingegen mehrere Bits pro Speichertransistor speichern (z. B. MLC-Speicherzelle, TLC-Speicherzelle); man nutzt hierzu bei Floating-Gates die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit bei verschiedenen Ladungszuständen des Transistors und bei Charge-Trapping die Möglichkeit, je ein Bit an Information in der Drain- und in der Source-Region getrennt zu speichern. Das Auslesen der beiden Bits pro MISFET erfolgt durch Richtungsänderung des Auslesestromes im Kanal.

Speichern und Lesen mini|lang=de|Programmieren einer Flash-Zelle mini|lang=de|Löschen einer Flash-Zelle Die Speicherung eines Bits – im Folgenden ist nur der Speichervorgang bei einem Floating-Gate dargestellt – 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-Gates kann, wenn das Steuer-Gate den Transistor auf „offen“ steuert, in der Source-Drain-Strecke (Kanal) ein Strom fließen. Werden über das Steuer-Gate durch Anlegen einer hohen positiven Spannung (10–18 V) Elektronen auf das Floating-Gate gebracht, so kann in der Source-Drain-Strecke auch bei eigentlich „offen“ geschaltetem Transistor kein Strom mehr fließen, da das negative Potential der Elektronen auf dem Floating-Gate der Spannung am Steuer-Gate entgegenwirkt 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 (): statt mit Elektronen ist das Floating-Gate nun quasi mit positiven Ladungsträgern (Defektelektronen, „Löchern“) besetzt. Das ist besonders in NOR-Architekturen (s. u.) problematisch.

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-Gates, der durch blockweises Löschen hergestellt wird, als 0 („gelöscht“) bezeichnet. Entsprechend bezeichnet man den bitweise einstellbaren Zustand als 1 („programmiert“).

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 Flash-Speicher 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 (englisch ) 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. ) 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.)

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, sogenannten 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 als Übergang von 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 welchem Wear-Leveling-Algorithmen implementiert sind, die dafür sorgen, dass auch ohne ein solches optimiertes Dateisystem der Datenträger möglichst gleichmäßig abgenutzt wird.

Architekturen Am Markt sind mit Stand 2005 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 Koordinate die Adressleitungen zur Auswahl einer Spalte oder Zeile von Speicherzellen dienen und in der anderen Koordinate Datenleitungen zu den Speicherzellen führen. Die Realisierung der Datenleitungen stellt den wesentlichen Unterschied zwischen den Architekturen NAND-Flash und NOR-Flash dar.

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 für Plattenspeicher.