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Mehr als ein Bit Was ist MLC-Flash (Multi-Level-Cell)?

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Dr. Jürgen Ehneß

MLC-Flash ist ein halbleiterbasierter Speicher, der im Gegensatz zu einem Single-Level-Cell-Flash (SLC-Flash) in einer einzigen Speicherzelle mehr als nur ein Bit an Information speichert. Es existieren MLC-NAND-Speicher mit zwei Bit, drei Bit oder vier Bit Speicherkapazität pro Zelle. MLC-Flash hat eine höhere Speicherdichte, ist aber aufwendiger zu beschreiben und zu lesen und erreicht weniger Schreibzyklen.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - Fotolia)

Die Abkürzung MLC steht für „Multi-Level-Cell“. Bei MLC-Flash handelt es sich um einen nichtflüchtigen, halbleiterbasierten Speicher, der im Vergleich zu einem Single-Level-Cell-Flash (SLC-Flash) pro Speicherzelle nicht nur die Information eines Bits, sondern mehrerer Bits speichert.

Einige verwenden den Begriff MLC-Flash als Synonym für Flash-Speicher mit zwei Bit Speicherkapazität pro Speicherzelle. Das ist streng genommen nicht korrekt, da Multi-Level-Cell als Oberbegriff für alle Speicherzellen mit mehr als einem Bit Speicherkapazität zu sehen ist. MLC-NAND-Speicher kann auch als Triple-Level-Cell-Flash (TLC-Flash) mit drei Bit oder als Quadruple-Level-Cell-Flash (QLC-Flash) mit vier Bit Speicherkapazität pro Zelle realisiert sein. Ein TLC-Flash mit seinen drei Bits ist in der Lage, bis zu acht verschiedene Zustände je Speicherzelle zu speichern.

Typische Einsatzbereiche der MLC-NAND-Speicher sind USB-Speichersticks oder SSD-Laufwerke für den Massenmarkt. Der Vorteil eines MLC-Flash-Speichers ist die höhere Speicherdichte. Allerdings ist die Ladungsmenge in einer Speicherzelle beim Speichern feiner zu dosieren und beim Lesen genauer auszuwerten. Daher hat MLC-Flash in der Regel geringere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten als SLC-Flash. Darüber hinaus ist der Speicher empfindlicher gegenüber Ladungsverlusten. Die Anzahl maximal möglicher Schreibzyklen ist geringer.

Funktionsweise einer Multi-Level-Cell

Der Informationsgehalt einer Flash-Speicherzelle ist über Ladungsniveaus definiert. Eine SLC-Speicherzelle kennt die logischen Zustände eines Bits von 0 und 1. Das obere Ladungsniveau ist dem logischen Zustand 1 zugeordnet, das untere Ladungsniveau dem logischen Zustand 0. Alle Ladungsniveaus zwischen dem minimalen und dem maximalen Niveau werden entweder 0 oder 1 zugeordnet. Es existieren nur diese beiden logischen Zustände.

Eine Multi-Level-Cell hingegen kennt mehr als zwei Ladungszustände. Die Multi-Level-Cell mit zwei Bit Informationsgehalt unterscheidet vier verschiedene Ladungszustände. Sie werden durch die Bitzustände 00, 01, 10 und 11 repräsentiert. Die Quadruple-Level-Cell kennt 16 verschiedene Ladungszustände, die sie mit den logischen Zuständen von insgesamt vier Bit abbildet. Die in den Speicherchips enthaltenen Floating-Gate-Transistoren müssen die jeweilige Anzahl Ladungsniveaus beim Lesen und Schreiben der Informationen unterstützen.

Der Aufwand zum Erzeugen und zum Auswerten der Ladungszustände ist im Vergleich zu einer SLC-Speicherzelle aufwendiger. Zudem steigt die Wahrscheinlichkeit für Bitfehler, was komplexere Verfahren zur Fehlerkorrektur erfordert.

Vor- und Nachteile des MLC-NAND-Flash-Speichers

Im Vergleich zu SLC-Flash bietet MLC-Flash diese Vorteile:

  • höhere Speicherdichte – größerer Informationsgehalt je Chipfläche,
  • höhere Speicherkapazität bei gleichen Siliziumkosten – günstigere Speicherchips realisierbar.

Als Nachteile der MLC-NAND-Speichertechnologie lassen sich aufführen:

  • niedrigere Schreib- und Lesegeschwindigkeiten,
  • höhere Wahrscheinlichkeit für Bitfehler,
  • empfindlicher gegenüber Ladungsverlusten,
  • aufwendigere Fehlerkorrekturmechanismen,
  • weniger maximal mögliche Schreibzyklen.

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