Auszug aus Kurt Gereckes Addendum zum System Storage Kompendium, S.36 - S.38

Flash-Speicher im Aufwind – nicht mehr zu stoppen?

| Autor / Redakteur: Kurt Gerecke / Rainer Graefen

Aufbau einer Flash-Speicherzelle mit Floating Gate
Aufbau einer Flash-Speicherzelle mit Floating Gate (Bild: Kurt Gerecke)

Die Entwicklung des heutzutage bekannten Flash-Speichers hat sich erst relativ spät in den 90er Jahren zugetragen. Treibende Kraft hierbei war die digitale Fotografie. Heute wälzt die Flash-Speichertechnik die gesamte Datenverarbeitung um.

Zum damaligen Zeitpunkt waren brennbare CDs der Renner. Wie wollte man aber einen CD-Brenner in eine Kamera integrieren, um die geschossenen Bilder direkt abzuspeichern? Ebenso wenig war die Diskette tauglich, da sie einfach zu wenige Daten zu langsam speicherte.

Geschichtliches

Die Ende der 90er Jahre von IBM entwickelten Micro-Drives, die ein paar Jahre zu den Flash-Speicherkarten eine Alternative bildeten, verbrauchten im Einsatz viel Strom, so dass der Akku einer Digitalkamera häufig aufgeladen werden musste. Auf Dauer stellten deshalb die Micro-Drives keine sinnvolle Alternative in der digitalen Fotografie dar.

Der erste Flash-Speicher wurde von SanDisk 1994 auf den Markt gebracht. Er hatte damals 4 MB Speicherkapazität.

Mittlerweile ist diese Form der Datensicherung viele Technologieschritte weiter, da man mit 4 MB Speicherkapazität kaum etwas anfangen konnte. Heutzutage sind USB-Sticks und Speicherkarten, die auf dieser Technologie basieren, mit mehreren 100 Gigabytes erhältlich.

Die Bezeichnung Flash-Speicher kam in den Laboren von Toshiba auf, wo der Forscher Shoji Ariizumi diesen Namen vorschlug, da ihn das Löschen der Datenblöcke an ein Blitzlicht (englisch: „flash“) erinnerte.

Beschreibung und Funktionsweise

Flash-Speicher basieren auf der Halbleitertechnologie, kommen in allen heute verbreiteten Speicherkarten vor und werden vielseitig eingesetzt. Sie werden in Hybrid-Festplatten oder Flash-Festplatten in Personal-Computern eingesetzt, aber auch in Speicherkarten für Arbeitsrechner oder in schnellen Zwischenspeichern von Großrechnern; darüber hinaus aber vor allem in SIMMs, PC-Cards und PCMCIA-Karten, in Digitalkameras und MP3-Playern, in USB-Sticks, Camcordern und Druckern, Notebooks und Handhelds.

Es gibt spezielle Flash-Module für Notebooks, Laptops, PDAs, Drucker und andere Peripheriegeräte wie Digitalkameras. Die verschiedenen Ausführungen haben eine geschützte Bezeichnung und Schreibweise: Beispiele sind die Compact-Flash-Karte (CF), die Smart Media Card, Memory Sticks, die Multi Media Card (MMC) sowie die SD-Karte. Das Lesen von Flash Memorys kann in speziellen Kartenlesegeräten durchgeführt werden, die über ein Schnittstellenkabel wie USB mit dem Personal Computer (PC) verbunden sind.

Stromlos verlustfrei

Darüber hinaus können die Flash Memorys auch über PC-Card-Adapter betrieben werden. Der Einsatz von Flash-Speichern in Rechenzentren kam erst viel später und startete etwa im Jahr 2012 in größerer Breite. Heute ist Flash im IT-Umfeld nicht mehr wegzudenken (siehe Abschnitt „Warum ist Flash für die IT so wichtig“).

Die prinzipiellen Anforderungen an eine Speicherkarte sind neben einer sehr kompakten Bauweise hohe Speicherkapazitäten, die Wiederbeschreibbarkeit, der Einsatz von stromunabhängigen Speicherbausteinen sowie eine möglichst geringe Störanfälligkeit im mobilen Einsatz. Diese Anforderungen waren und sind vor allem durch die digitale Fotografie definiert.

Im Gegensatz zu Festplatten haben Flash-Speicher keine beweglichen Teile mehr integriert, das heißt, mechanische Komponenten einer Festplatte sind ausgeschlossen und werden durch Halbleiter – also elektrotechnische Bauelemente – bezüglich der Funktionsweise übernommen. Diese müssen in der Lage sein, Daten dauerhaft und nicht flüchtig – also stromunabhängig – zu speichern. Auch wenn die Stromversorgung abgebrochen wird, dürfen die Informationen nicht verloren gehen.

Fließen und sperren

Eine Flash-Zelle besteht aus einem modifizierten MOSFET-Transistor (Metall-Oxid-Feld-Effekt-Transistor), der mit einer zusätzlichen Elektrode, dem sogenannten „Floating Gate“ ausgestattet ist. Diese Elektrode wird zwischen der Steuerelektrode (Control Gate) und dem aktiven Transistorkanal platziert und mit einer dünnen halbdurchlässigen Trennschicht umgeben.

Werden nun freie Elektronen mithilfe von höherer Spannung (Schreibspannung) durch die Barriere, meist eine Oxydschicht, hindurch auf das Floating Gate „gepresst“, ändert sich das Transistorverhalten. Jeder Transistor kann eine elektrische Ladung in Form von Elektronen entweder leiten oder sperren.

Dies entspricht genau den binären Informationszuständen eines Bits, also „0“ und „1“. Der Transistor gibt die gespeicherte Information dann preis, wenn eine Spannung angelegt wird, und je nachdem, ob Strom fließt oder nicht, besitzt er die logische Information „0“ oder „1“.

Floating und Tunneling

Das Floating Gate ist elektronisch vollständig von allen anderen Komponenten durch eine Oxydschicht isoliert, damit die gespeicherte Ladung, also die Information auf der Datenzelle darunter, auch wirklich in ihr gespeichert bleibt und auch über längere Zeit nicht verloren gehen kann. Unter normalen Umständen wäre durch diese Isolation eine Übertragung nicht möglich, da die Isolation sie blockieren würde.

Der Flash-Speicher bedient sich deshalb des sogenannten Tunneleffektes aus der Quantenmechanik, der es ermöglicht, Ladungen auch durch ein nicht-leitendes Material zu übertragen. Das Floating Gate wird je nach Menge der aufgenommenen Elektronen zu einem elektronischen Drosselventil für die Transistorfunktion.

Beim Auslesen einer Transistor-Speicherzelle wird der resultierende Strom als Indikator für logisch „0“ (viele Elektronen im Floating Gate) und logisch „1“ (wenige oder fast keine Elektronen im Floating Gate) ausgewertet. Ein geladenes Floating Gate reflektiert also „0“ und ein ungeladenes wird als „1“ gewertet. Eine andere Zuordnung wäre möglich, wurde aber nie angewandt. Jedes einzelne Bit wird damit über das Floating Gate übertragen.

Löschen und ändern

Für das erneute Beschreiben einer bereits mit Information bestückten Datenzelle ist das vorhergehende Löschen dieser Zelle notwendig. Der Grund hierfür ist, dass man die Bits in einem Flash-Speicher immer nur von 1 nach 0 verändern kann. Nur ein Löschvorgang ermöglicht es, diesen Zustand in die andere Richtung zu ändern.

Die schematische Abbildung „Aufbau einer Flash-Speicherzelle mit Floating Gate“ zeigt, wie das Floating Gate eine Ladungsfalle bildet, in der die elektrische Ladung gespeichert wird. Es liegt in einer Oxydschicht unterhalb des Control Gates und verhindert im Normalfall den Ladungsabfluss zu den N- und P-Schichten (N = stark negativ dotierte Elektroden Drain und Source, P = stark positiv dotiertes Substrat).

Die Ladung auf dem Floating Gate bildet über ihr elektrisches Feld einen leitenden Kanal zwischen Drain und Source, über den die Ladung ausgelesen wird. Das Löschen erfolgt blockweise. Durch Anlegen einer negativen Löschspannung werden die Ladungsträger aus dem Floating Gate heraus getrieben.

Weitere Überlegungen

Flash-Speicher sind stromunabhängig und unterscheiden sich deshalb grundsätzlich von stromabhängigen (volatilen) RAM-Bausteinen (Random Access Memory), denn die im RAM-Hauptspeicher eines Computers gespeicherten Informationen bleiben immer nur solange erhalten, wie der Computer läuft. Ist der Computer ohne Strom, verlieren RAM-Module die Fähigkeit, Daten zu speichern.

Ein klassisch bipolarer Transistor benötigt Strom für mehrere Funktionen. Zum einen werden Elektronen aus Siliziumflächen des Transistors herausgelöst, um damit den Schaltzustand zu verändern. Informationen werden auf diese Weise gespeichert oder gelöscht.

Zum anderen wird der Strom in Form von „Refresh“-Impulsen benötigt, um den erreichten Zustand zu stabilisieren. MOSFETs hingegen sind in der Lage, mittels einer dünnen Oxidschicht einen kleinen Kondensator aufzubauen der über ein einmal aufgebautes elektrisches Feld Ladungsträger zwischen den Siliziumschichten transportiert.

Dadurch baut sich Spannung auf, bis ein Grenzwert erreicht wird. In der Folge entsteht ein dünner leitender Kanal, der ohne „Refresh“-Impulse stabil bleibt. MOSFETs benötigen also nur Strom, um den Kondensator zu laden oder zu entladen, während im anderen Fall Strom dauerhaft zugeführt werden muss, um die Leitfähigkeit in einem stabilen Zustand zu halten und die gespeicherte Information zu erhalten.

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