Speicherung binärer Zustände elektronischer Schaltungen Was ist ein Halbleiterspeicher?

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Ein Halbleiterspeicher ist ein auf Halbleitertechnologie basierender Datenspeicher. Er speichert Daten in Form von Schaltzuständen oder elektrischen Ladungen in elektronischen Schaltkreisen. Es wird zwischen flüchtigen und nichtflüchtigen Halbleiterspeichern unterschieden. Beispiele für Halbleiterspeicher sind DRAM, SRAM oder Flash-Speicher, die zum Beispiel in SSDs verwendet werden.

In einem Halbleiterspeicher werden Informationen in Form von binären Zuständen elektronischer Schaltungen gespeichert. Es kommen Halbleitertechnologien zum Einsatz, bei denen die binären Zustände durch Schaltzustände oder elektrische Ladungszustände repräsentiert werden. Im Gegensatz zu magnetischen oder optischen Speichertypen sind keine Trägermaterialien notwendig, die Daten in Form magnetischer oder optischer Informationen aufnehmen.

Die kleinste Einheit eines Halbleiterspeichers ist die Speicherzelle. Sie kann ein oder mehrere Bits, zum Beispiel bei einer Triple-Level-Cell (TLC) drei Bits, an Daten speichern. Bei einem Halbleiterspeicher sind viele einzelne Speicherzellen auf einem Chip zusammengefasst und mit entsprechenden Schaltkreisen zum Lesen und Schreiben der Binärzustände ausgestattet. Das Lesen oder Schreiben der Daten findet durch Anlegen elektrischer Spannungen an den Adressleitungen der Speicherchips statt.

Die verschiedenen Arten von Halbleiterspeichern

Grundsätzlich ist bei den Halbleiterspeichern eine Unterscheidung zwischen flüchtigen und nichtflüchtigen Speicherarten möglich. Bei nichtflüchtigen Halbleiterspeichern bleiben die Informationen auch dann erhalten, wenn keine Versorgungsspannung mehr anliegt. Flüchtige Halbleiterspeicher verlieren ihre Daten ohne Versorgungsspannung. Typische Beispiele für flüchtige Halbleiterspeicher sind SRAM oder DRAM, die in Rechnern als Arbeitsspeicher oder Cache zum Einsatz kommen. Zu den nichtflüchtigen Halbleiterspeichern zählen zum Beispiel auf sogenanntem Flash-Speicher basierende SSDs, USB-Sticks oder Speicherkarten. Sie werden zur permanenten Speicherung von Daten verwendet.

Neben der Unterscheidung in flüchtige und nichtflüchtige Halbleiterspeicher gibt es weitere Unterscheidungsmöglichkeiten. So kann beispielsweise zwischen Halbleiterspeichern, die nur als Lesespeicher oder als Lese- und Schreibspeicher fungieren, unterschieden werden. Bei einem ROM-Speicher werden Daten nur einmalig gespeichert und können anschließend nicht mehr geändert oder gelöscht werden. Die mehrfach programmierbaren EPROM- und EEPROM-Speicher werden ebenfalls zu dieser Kategorie gezählt.

Eine weitere Unterscheidungsmöglichkeit besteht hinsichtlich der Art des Abrufs der Daten. Die gespeicherten Informationen werden entweder seriell nacheinander oder wahlfrei über einen direkten Zugriff auf Speicherzellen gelesen. In der Praxis sind wahlfreie Halbleiterspeicher deutlich üblicher als serielle Halbleiterspeicher.

Vor- und Nachteile von Halbleiterspeichern

Gegenüber magnetischen oder optischen Speichertechnologien bieten Halbleiterspeicher einige Vorteile. Sie benötigen keine mechanisch beweglichen Teile, sind robuster und unempfindlicher gegen Erschütterungen. Es tritt kein mechanischer Verschleiß von beweglichen Teilen auf. Weitere Vorteile sind die hohen erzielbaren Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, schnelle Datenzugriffszeiten, hohe Speicherdichte und der geringe Energieverbrauch.

Als Nachteile gegenüber magnetischen oder optischen Speichern lassen sich nennen:

• höhere Kosten pro gespeichertem Bit,

• begrenzte Anzahl an Schreib- und Löschzyklen der Halbleiterspeicherzellen,

• aufwendige und komplexe Herstellungsverfahren,

• Verlust der Daten beim Abschalten der Stromversorgung bei flüchtigen Halbleiterspeichern,

• Datenverlust bei Flash-Speichern über längere Speicherzeiträume durch Selbstentladung oder Alterung,

• Empfindlichkeit gegenüber Strahlung.

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