Flash-Speicher

Flash-Speicher (auch Halbleiterspeicher) ist ein nichtflüchtiger Datenspeicher auf der Basis von Halbleiterchips. Flash-Speicher ist besonders energieeffizient, stoß-unempfindlich und kompakt, weshalb er als eMMC-Gerätespeicher in Smartphones und Kameras sowie für Speicherkarten oder in Form von SSD-Festplatten weit verbreitet ist. Durch die schnellen Reaktionszeiten sowie die potentiell hohen Datenübertragungsraten kann Flash-Speicher auch bei Perfomance-lastigen Aufgaben (Video-Schnitt, 3D-Anwendungen) verwendet werden.

Eine Flash-Speicherzelle verwendet einen Feldeffekttransistor der im Wesentlichen aus vier Elementen besteht:

• einem Element an der "ankommenden" Leitung (Source)
• einem Element an der "wegführenden" Leitung (Drain)
• einem ladungstragenden Element (Floating-Gate)
• und einem Steuerelement (Control Gate), das Ladungen auf dem Floating-Gate einbringt

In Abhängigkeit davon, ob auf dem Floating-Gate eine Ladung eingebracht ist oder nicht, ändert sich die Leitfähigkeit zwischen Source und Drain – der Zustand "leitfähig" und "nicht-leitfähig" bildet ein Bit ab.

Um eine Ladung auf dem Floating-Gate wieder zu entfernen, wird auf der Drain-Seite eine Spannung von 10-12 Volt angelegt, womit die Ladung über das Control Gate ableitet wird. Durch das Anlegen der relativ hohen Spannung wird allerdings ein Teil des Isolators (einer Oxid-Schicht) zwischen Drain und Floating-Gate zerstört, sodass je nach Fertigungsverfahren nach 3.000 bis 100.000 Lösch-Vorgängen keine dauerhafte Ladung mehr auf dem Floating-Gate platziert werden kann. Die Spannung zum Auslesen der Zelle, also die zwischen Source und Drain angelegt wird, beträgt z.B. 3,3 V und verursacht keinen Verschleiß.

Moderne MLC-(Multi Level Cell)-Speicherzellen verfügen im Gegensatz zu Single-Level-Cells (SLC) über mehr als die binären Zustände "leitend" und "nicht leitend": Je nach Ladungszustand des Feldeffekttransistors können unterschiedliche Widerstandswerte gespeichert werden, wobei jeder Widerstandswert einen Zustand repräsentiert. Verfügt die MLC über vier Level, können vier Binärwerte abgespeichert werden. Auch wenn die MLC-Technologie gegenüber der SLC-Technologie fehleranfälliger ist – was durch eine entsprechende Fehlerkorrektur ausgeglichen werden muss – haben sich die die MLC-Zellen im Bereich der SSD-Festplatten durchgesetzt, da sie eine erheblich höhere Datendichte erlauben.

Die Bezeichnungen NAND und NOR beziehen sich auf die Anordnung der einzelnen Halbleiterzellen auf einem Speicherchip. Während bei der NAND-Architektur (engl.: NOT + AND) die Ansteuerung der Transistoren über eine Anordnung in Reihenschaltung erfolgt, sind die Zellen in der NOT-Anordnung (engl.: NOT + OR) parallel geschaltet. NAND-Zellen können nur gruppenweise und anhand einer aufwändigeren Controller-Logik angesteuert werden. In SSD-Festplatten sind sie der typische Speicherbaustein, da die NAND-Zellen gegenüber der NOR-Zellen-Anordnung über eine höhere Datendichte verfügen.