Flash-Speicher

Die Technik hinter Solid State Drives (SSDs)

30. Januar 2014
Serverräume oder Orte mit abenteuerlichem Internetzugang sind heute sein Habitat. Seltener ist er in Meetings anzutreffen, zumal sich seine Existenz als Freelancer über zwei Kontinente und diverse Projekte erstreckt.
Kaum eine andere Ergänzung für den PC bringt einen ähnlichen Geschwindigkeitsschub wie eine SSD. Ein genauer Blick auf die Technik zeigt, dass diese Datenträger mehr bieten müssen als eine Reihe von Flash-Speicher-Chips.

Datenträger mit magnetisierten, rotierenden Platten sind ein Stück IT-Geschichte, das Computer seit ihrer Dämmerung in den 50er Jahren begleitet. Wer eine Festplatte aufschraubt, stellt fest, dass es sich um eine komplexe Maschine handelt. Im Vergleich erscheinen SSDs mit ihren unbeweglichen Halbleitern geradezu simpel: eine Reihe von Flash-Chips auf einer Platine – richtig? Nicht ganz: Bei genauem Hinsehen entpuppen sich SSDs als eigenständiges Speichersystem mit aufwendigem Controller, Cache und Speicherreserven.

Aufbau einer Speicherzelle

SSDs nutzen als Speicher Flash-Zellen. Anders als DRAM, das bei RAM-Speicherbausteinen zum Einsatz kommt, ist Flash nicht flüchtig. DRAM kombiniert einen Transistor mit einem Kondensator, um ein Bit zu speichern, und dieser ist auf Spannung angewiesen. Flash dagegen braucht keinen Kondensator, sondern kombiniert zwei Transistoren: einen Control-Gate-Transistor und einen Floating-Gate-Transistor.

Schema einer Flash-Speicherzelle: Ins Floating Gate tunneln bei angelegter Schreibspannung Elektronen, die wiederum das elektrische Feld des Control Gates ändern und damit die Leitfähigkeit der Zelle.
Schema einer Flash-Speicherzelle: Ins Floating Gate tunneln bei angelegter Schreibspannung Elektronen, die wiederum das elektrische Feld des Control Gates ändern und damit die Leitfähigkeit der Zelle.

Das Floating-Gate erzeugt einen Käfig, der bei angelegter Spannung Elektronen einfangen kann und dann permanent hält – auch ohne Spannung. Der Käfig ist durch eine Siliziumoxid- Schicht isoliert und Elektronen treten über einen quantenphysikalischen Tunneleffekt ein. Die gefangenen Elektronen im Floating Gate beeinflussen das elektrische Feld des anliegenden Control Gates und damit die Leitfähigkeit der Flash-Zelle. Die messbare Schwellenspannung, die dazu dient, die Zelle leitfähig zu machen, steigt mit der Ladung des Floating Gates und unterscheidet eine ungeladene Speicherzelle von einer geladenen. Dieser Effekt ist reversibel: Eine angelegte Löschspannung wirft die Elektronen aus dem Floating Gate und macht die Zelle wieder leitfähiger. Ein einziger Flash-Speicherchip fasst mehrere Milliarden dieser Zellen zusammen.

Speichertypen: NAND und NOR

NOR-Speicher: Die Anordnung von Word-Leitungen und Bit-Leitungen erlaubt die bitweise Ansteuerung von Speicherzellen. Das aufwendige Design liefert langsamere Schreib- und Lesegeschwindigkeit. NAND-Speicher: Bei Massenspeichern kommt diese Anordnung zum Einsatz. Einzelne Speicherzellen können nicht direkt gelesen werden, sondern immer nur im Verbund als ganze Zeile (Speicher-Page).
NOR-Speicher: Die Anordnung von Word-Leitungen und Bit-Leitungen erlaubt die bitweise Ansteuerung von Speicherzellen. Das aufwendige Design liefert langsamere Schreib- und Lesegeschwindigkeit. NAND-Speicher: Bei Massenspeichern kommt diese Anordnung zum Einsatz. Einzelne Speicherzellen können nicht direkt gelesen werden, sondern immer nur im Verbund als ganze Zeile (Speicher-Page).

Die Anordnung und Schaltung der Flash-Zellen kann auf zwei Wegen erfolgen: NAND und NOR. Beide nutzen das Floating-Gate-Prinzip, aber einen unterschiedlichen logischen Aufbau, um Bits zu speichern und zu lesen. Die einfachste Schaltung, um Speicherzellen zu verbinden, ist die Anordnung in Zeilen und Spalten. Die Leitungen, die eine Zeile verbinden, werden „Word-Leitung“ genannt. Spalten sind über die sogenannte „Bit-Leitung“ verbunden. Bei NORSpeicher lässt sich so jede einzelne Zelle, also jedes Bit auslesen: Liegt an der Word-Leitung eine Spannung zum Lesen der Zelle an, zeigt die Bit-Leitung je nach Ladungszustand einer Zelle entweder eine Spannung oder keine. Der logische Operator NOR entscheidet dabei, ob eine Zelle eine 0 oder eine 1 enthält (0 NOR 0 = 1; 1 NOR 0 = 0). Der NOR-Aufbau hat aber einen Nachteil bei der Verwendung in Chips: Word- und Bit-Leitungen brauchen viel Platz und machen das Chipdesign sehr komplex und teuer in der Herstellung.

Für Massenspeicher, die keine einzeln adressierbaren Bits brauchen, sondern in Sektoren zwischen 512 und 4096 Byte angesteuert werden, bietet sich ein anderes Logikgatter an: NAND (von Englisch „NOT AND“). Hier sind die Speicherzellen in einer Spalte über die Bit-Leitung in Serie geschaltet und zeilenweise geht eine Word-Leitung zu jeder Zelle. Gelesen werden kann immer nur eine ganze Zeile von Zellen, genannt „Page“ oder Speicherseite. Beim Anlegen einer Lesespannung an die Word-Leitung liefern die Bit-Leitungen der ganzen Zeile ein Ergebnis.

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