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

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Werden Daten vom Betriebssystem gelöscht, dann erfährt ein herkömmliches Speicherlaufwerk nichts davon, denn der gelöschte Bereich kann dort ja jederzeit mit neuen Daten überschrieben werden. In einem Flash-System muss jedoch zuerst der ganze Block mit dem gelöschten Bereich wieder zum Schreiben vorbereitet werden. Mit dem TRIM-Befehl wird dem Flash-System also mitgeteilt, dass die gelöschten Blöcke jetzt ungültig sind. Deren Inhalte werden nicht mehr mitgeschrieben.

Das vermindert die Schreibzugriffe und die Abnutzungseffekte. Diese als ungültig markierten Blöcke können dann beim nächsten Löschen ihres Blocks mitgelöscht werden. Den TRIM-Befehl gibt es in ATA-Systemen für verschiedene Betriebssysteme. In RAID-Systemen mit Garbage-Collection würden Flash-Systeme wesentlich schneller altern und langsamer werden. Es ist also sorgfältig zu prüfen, welche Verfahren in welchen Systembereichen eingesetzt werden und diese aufeinander abzustimmen oder Teile davon zu eliminieren.

Herstellerspezifische Techniken

Es gibt noch weitere Verfahren in hochverfügbaren Systemen mit denen ein ausfallsicherer und effektiver Betrieb gewährleistet wird. So werden in Flash-Systemen der Reihen IBM 720 und 820 beispielsweise Schwellwerte für die Ausfallraten überwacht und bei Bedarf fehlerhafte Chips oder Bereiche im laufenden Betrieb ausgeblendet. Ausgefallene Speicherkarten können bei laufendem Betrieb ersetzt werden.

NOR, NAND

NOR und NAND sind zwei verschiedene Flash-Techniken mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. In der Firmware von Industriesteuerungen und im Boot-Code fast aller Rechnersysteme wird NOR-Flash eingesetzt. In reinen Speichersystemen (von USB-Sticks bis zu unternehmensweiten Rechenzentren) wird nur NAND-Flash eingesetzt.

NOR-Flash kann ohne zusätzliche Logik am Bussystem eines Rechners betrieben werden. NOR-Flash hat bei gleicher Strukturgröße eine deutlich geringere Speicherkapazität als NAND-Flash. NAND benötigt nur etwa 40 Prozent der Chip-Fläche im Vergleich zu NOR-Flash. Zur Ansteuerung benötigt NAND-Flash jedoch einen deutlich größeren Softwareaufwand. Das relativiert sich bei den üblichen großen Speichermengen, da der Aufwand je System nur einmal benötigt wird. So ergibt sich ein sehr geringer Preis pro Megabyte bei hoher Schreib- und Lesegeschwindigkeit bei großen Datenmengen. NOR erlaubt kurze Lese-Zugriffszeiten, NAND erlaubt eine hohe Programmier-/Löschgeschwindigkeit.

Fazit

Es gibt sehr viele technologische Themen zu beachten, wenn Flash-Speichersysteme zuverlässig, schnell und langlebig arbeiten sollen. Deshalb sind effektive Architekturen, eine große Erfahrung und genaue Kenntnis der eingesetzten Technik nötig, um dies zu erreichen. Der Anwender kann die Kriterien bei seinem Anbieter abfragen, kann aber nur wenige in der eigenen Anwendung nachträglich optimieren.

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