Technischer Aufbau des Flash-Speichers

Floating-Gate, VSR, TRIM – wie funktioniert Flash?

| Autor / Redakteur: Hermann Strass / Nico Litzel

Aufbau einer Flash-Speicherzelle mit Floating Gate
Aufbau einer Flash-Speicherzelle mit Floating Gate (Grafik: IBM)

Bei Flash unterscheidet man zwei wesentliche Varianten: NOR und NAND. In IT- und Speichersystemen werden nur NAND-Speicherbausteine eingesetzt. In industriellen und Steuersystemen (Embedded-Systems) werden in den Steuerbausteinen nur NOR-Varianten genutzt.

Die Flash-Technik nutzt ähnliche Techniken wie EPROMs (Erasable Programmable Read-Only Memory) und EEPROMs (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) – wie beispielsweise im BIOS eines PCs. Jedoch kann Flash sehr viel öfter und schneller umprogrammiert (beschrieben) werden als die anderen beiden Techniken.

Eine Flash-Speicherzelle besteht aus einem Transistor, der noch zusätzlich ein isoliertes „Floating Gate“ besitzt. Darin ist eine oder keine elektrische Ladung gespeichert. So kann zwischen logisch NULL und EINS unterschieden werden. Beim Löschen oder Schreiben werden die Ladungselektronen bei erhöhter Spannung durch das Dielektrikum (isolierende Wand) in das Floating-Gate eingebracht oder wieder herausgeholt. Lesen geschieht bei niedriger Spannung.

Vor einem Wiederbeschreiben muss erst gelöscht werden. Das benötigt Zeit. Daher dauert schreiben deutlich länger als lesen. Das Dielektrikum wird bei häufigem Löschen oder Schreiben stark beansprucht und nach vielen Zyklen soweit zerstört, dass eine zuverlässige Speicherung nicht mehr möglich ist. Im passiven oder ausgeschalteten Zustand rechnet man mit etwa zehn Jahren Datenerhalt. Bei hochverfügbaren Systemen ist eine komplexe Vielfalt an Funktionen und Verfahren nötig damit der Anwender ein einfach zu bedienendes und sicheres System erhält.

Garbage-Collection

Weil bei der NAND-Technik keine einzelnen Bits oder Bytes, sondern nur größere Blöcke bearbeitet werden, werden in manchen Systemen zu löschende Daten markiert, aber erst gelöscht und möglicherweise neu beschrieben, wenn der ganze oder fast der ganze Block als gelöscht markiert ist. So wird die Anzahl der schädlichen Zyklen reduziert.

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