Halbleiterbasierter, nicht-flüchtiger Speicher Was ist NAND-Flash (NAND-Flash-Speicher)?

NAND-Flash ist ein nicht-flüchtiger Speichertyp, bei dem die einzelnen Speicherzellen seriell wie bei einem NAND-Gatter verschaltet sind. Die Speicherzellen arbeiten halbleiterbasiert mit sogenannten Floating-Gate-Transistoren. Je nach Typ kann eine Speicherzelle ein oder mehrere Bit Informationen speichern. NAND-Flash-Speicher eignet sich als Massenspeicher und wird beispielsweise für USB-Sticks, SSDs oder Speicher von Smartphones verwendet.

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NAND-Flash ist ein halbleiterbasiert arbeitender, nicht-flüchtiger Speicher. Die Zellen speichern die Informationen mithilfe von Floating-Gate-Transistoren in Form von Ladungen. Je nach Speicherzellentyp, Single-Level-Cell (SLC), Multi-Level-Cell (MLC) oder anderen, kann eine Speicherzelle ein oder mehrere Bit Informationen speichern.

Die einzelnen Zellen sind wie bei einem NAND-Gatter seriell verschaltet. Durch die geringere Anzahl an Datenleitungen und den reduzierten Platzbedarf lassen sich hohe Speicherdichten erzielen. Das Lesen und Schreiben der Daten ist nicht wahlfrei, sondern nur blockweise möglich.

Die Anzahl an Schreibzyklen eines NAND-Flashs ist begrenzt. Deshalb eignet sich dieser Speichertyp nicht für die Langzeitspeicherung oder Archivierung von Daten. Typische Einsatzbereiche von NAND-Flash-Speicher sind USB-Sticks, Speicherkarten, Solid State Drives (SSDs) und Speicher von Geräten wie Smartphones, MP3-Playern oder Tablets.

Funktionsweise von NAND-Flash-Speicher

Speicherzellen lassen sich in einer NAND- oder NOR-Architektur seriell oder parallel verschalten. Bei einem NOR-Flash sind sie parallel verschaltet. Diese Verschaltung ermöglicht einen wahlfreien, direkten Zugriff auf die Daten, benötigt aber mehr Platz. Die serielle NAND-Verschaltung reduziert den Platzbedarf, erlaubt aber nur noch blockweises Lesen und Schreiben. Der Speicher ist in Pages und Blöcken organisiert. Ein Block besteht aus mehreren Pages und kann je nach Speichertyp Größen von beispielsweise 16 Kilobyte, 512 Kilobyte oder 2.048 Kilobyte annehmen. Für den Zugriff auf die Daten wird ein gemultiplexter Adress- und Datenbus verwendet. Der NAND-Flash-Controller steuert den Zugriff.

Die Informationen der Speicherzellen sind in Form von Ladungen in Floating-Gate-Transistoren gespeichert. Die Ladungen bleiben im spannungslosen Zustand bis zu mehrere Jahre erhalten. Gelöscht werden die Ladungsinformationen mit einem sogenannten „Flash“. Daraus leitet sich der Name „Flash-Speicher“ ab.

Eine einzelne Speicherzelle kann je nach Typ ein oder mehrere Bit Informationen speichern. Eine Single-Level-Cell (SLC) speichert ein Bit, eine Multi-Level-Cell (MLC) zwei Bit, eine Triple-Level-Cell (TLC) drei Bit und eine Quad-Level-Cell (QLC) vier Bit an Information. Durch die Anordnung der Speicherzellen in dreidimensionalen Strukturen, auch als „3D-NAND“ bezeichnet, lässt sich die Speicherdichte weiter erhöhen.

Die Anzahl der Schreibzyklen eines NAND-Speichergeräts ist begrenzt. Um für eine gleichmäßige „Abnutzung“ der Speicherzellen zu sorgen, kommen Techniken wie das Wear-Leveling zum Einsatz. Diese Aufgabe übernimmt der NAND-Flash-Controller. Defekte Blöcke eines NAND-Speichers werden markiert und nicht mehr verwendet.

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