Was ist eine NAND-Speicherzelle?

Stichwort: Flash Memory

| Autor / Redakteur: Rainer Graefen / Rainer Graefen

NOR-Flash wurde 1988 durch Intel eingeführt, NAND-Flash 1989 durch Toshiba.
NOR-Flash wurde 1988 durch Intel eingeführt, NAND-Flash 1989 durch Toshiba. (pioneer111 - Fotolia.com)

NAND-Flash-Speicher sind nicht flüchtige Speicher auf IC-Basis mit NAND-Gattern. Auch im stromlosen Betrieb bleiben alle Daten erhalten.

Es gibt zwei Flash-Speichertypen, NAND und NOR. Die Namen beziehen sich auf die von der Speicherzelle benutzten Logikgatter. Logikgatter wie AND und OR sind die grundlegenden Bausteine der digitalen Schaltkreise.

In der invertierten Form Not AND und Not OR eignen sie sich zur dauerhaften (non-volatil) Speicherung von Bit und Bytes. Dabei wird ein sehr genau definierbare Menge von Ladungen in einer Art Falle gespeichert. Diese Ladungsmenge wird als ein Bit definiert.

NOR-Flash wurde 1988 durch Intel eingeführt, NAND-Flash 1989 durch Toshiba. Die beiden Logikgatter unterscheiden sich in der Funktionsweise. NAND-Gatter belegen weniger IC-Fläche, sodass NAND-Flash eine höhere Speicherkapazität als NOR-Flash besitzt.

NAND-Gatter arbeiten mit normaler Spannungspolarität, bei NOR-Gattern wird eine negative Spannungsquelle benötigt. NOR-Flash ist schneller aber auch teurer.

Einsatzgebiete von NAND-Flash-Speicher

Einsatzgebiete für NAND-Flash sind MP3-Player, Speicherkarten in Digitalkameras und USB-Sticks. NOR wird am häufigsten in Handys oder für Programmier-WErkzeuge benutzt.

Manche Geräte verwenden sowohl NAND als auch NOR. Ein Pocket PC zum Beispiel kann Embedded-NOR zum Booten des Betriebssystems verwenden, aber eine NAND-Karte für die sonstigen Speicheranforderungen. NAND verträgt nur eine begrenzte Anzahl von Schreib-Lesezyklen. Allerdings wird die Lebensdauer durch die Variation der Halbleitermaterialien mit jeder neuen Chip-Generation verbessert.

Das Ziel der NAND-Flash-Entwicklung

Fast alle modernen NAND-Chips speichern im Jahr 2016 mehrere Bits pro Zelle. War die Single Level Cell vor einiger Zeit noch das Maß aller Dinge, so ist die Multi Level Cell mit 2 Bit Speichervermögen seit einem Jahren der Standard. Die aktuelle Produktgeneration speichert nun 3 Bit, 4 Bit pro Zelle zu speichern scheint ebenfalls möglich.

Da bei 4 Bit-Zellen allerdings schon zwischen (2 hoch 4) also 16 Ladungszuständen unterschieden werden muss, hat dies negative Konsequenzen für die Lese-Geschwindigkeit und die Anzahl maximaler Schreibvorgänge.

Ein wesentliches Ziel der NAND-Flash-Entwicklung besteht darin, die Kosten je Bit zu reduzieren und zugleich die maximale Chip-Kapazität zu steigern. Neben der Möglichkeit, die Speicherkapazität durch kleinere Strukturen zu erhöhen, wenden die Hersteller ausgefeilte Detektierungsmöglichkeiten an, um bis zu vier Bits in einer Speicherzelle unterzubringen. Als weitere Möglichkeit werden mehrlagige Strukturen debattiert, die teils als 2D-Dies aufeinander gestapelt werden oder die man als 3D-NAND in der Fabrik wachsen lässt. Stand der Technik sind 48 Lagen.

Für die Hersteller der oben genannten Geräte haben Flash-Speicher den Nutzen, dass abhängig von der Versorgungslage die Verkaufspreise über mehr oder weniger teureren Speicher angepasst werden können.

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