Haben Sie schon einmal von Flash-Speichern gehört? Was ist der Unterschied zwischen NOR und NAND? Wenn Sie sich über die neuesten Entwicklungen im Bereich Computerhardware auf dem Laufenden halten, haben Sie diese Abkürzungen vielleicht schon einmal gehört. Wenn Sie jedoch nicht genau wissen, was sie bedeuten oder wie sie funktionieren, ist dieser Artikel genau das Richtige für Sie. Lesen Sie weiter, um mehr über diese beiden verschiedenen Arten von Flash-Speichern und ihre Funktionsweise zu erfahren.
Definition von Flash-Speicher
Flash-Speicher ist eine Art nichtflüchtiger Speicher, der in Blöcken statt byteweise gelöscht und neu programmiert werden kann. Er wird in der Regel als Speichermedium in Digitalkameras, Handheld-Computern, MP3-Playern, USB-Sticks und anderen kleinen digitalen Produkten verwendet. Während Flash-Speicher neu programmierbar ist, sind andere Arten von nichtflüchtigen Speichern, wie z. B. einmalig programmierbare Speicher (OTP), für eine einzige Programmierung ausgelegt.
Flash-Speicherstruktur
Flash-Speicher bestehen aus einer Anordnung von Zellen, die einzeln programmiert und gelöscht werden können. Die Zellen können eine bestimmte Anzahl von Datenbits speichern. Darüber hinaus enthält jede Zelle einen Floating-Gate-Transistor mit einem Steuergate und einem Drain. Das Steuergate steuert den Elektronenfluss zwischen Source und Drain. Das Floating Gate speichert die elektrische Ladung, die die gespeicherten Daten repräsentiert.
Wie funktioniert Flash-Speicher?
Um das Speicherprinzip von Flash-Speichern zu erklären, müssen wir immer noch bei EPROM und EEPROM beginnen. Denn Flash-Speicher vereinen die Vorteile der hohen Dichte von EPROM und der Flexibilität der EEPROM-Struktur.
Löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher
EPROM bedeutet, dass der Inhalt mit speziellen Mitteln gelöscht und anschließend neu geschrieben werden kann. Die grundlegende Schaltungseinheit ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Häufig werden Floating-Gate-Avalanche-Injection-MOS-Schaltungen verwendet, die als FAMOS bezeichnet werden. Diese ähneln der MOS-Schaltung. Zwei hochkonzentrierte P-Typ-Bereiche werden auf dem N-Typ-Substrat gezüchtet, und die Source S und der Drain D werden jeweils durch ohmsche Kontakte herausgeführt.
In der Isolierschicht zwischen Source und Drain befindet sich ein Polysilizium-Gate, das keine direkte elektrische Verbindung mit der Umgebung hat. Diese Schaltung nutzt die Ladung des Floating-Gates, um die Speicherung von 1 oder 0 anzuzeigen. Wenn das Floating-Gate geladen ist (z. B. mit einer negativen Ladung), wird zwischen Source und Drain ein positiver leitender Kanal induziert und der MOS-Transistor eingeschaltet, was bedeutet, dass „0” gespeichert ist. Wenn das schwebende Gate nicht geladen ist, kann kein leitender Kanal gebildet werden, und der MOS-Transistor wird nicht eingeschaltet, d. h., es wird eine „1” gespeichert.
Elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher
Das Funktionsprinzip der EEPROM-Basisspeicherschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Ähnlich wie bei EPROM wird ein Floating Gate auf dem Floating Gate der EPROM-Basisschaltung regeneriert. Ersteres wird als Floating Gate der ersten Ebene bezeichnet, letzteres als Floating Gate der zweiten Ebene. Eine Elektrode kann zum Floating Gate der zweiten Ebene herausgeführt werden, sodass das Floating Gate der zweiten Ebene an eine Spannung angeschlossen ist. Ist der Spannungswert positiv, tritt zwischen dem ersten Floating Gate und dem Drain ein Tunneleffekt auf. Dadurch werden Elektronen in das erste Floating Gate injiziert, d. h. es erfolgt eine Programmierung. Ist der Spannungswert negativ, gehen die Elektronen des ersten Floating Gates verloren, d. h. es erfolgt eine Löschung. Nach dem Löschen können die Elektronen neu geschrieben werden.
Flash-Speicher
Die Grundschaltung eines Flash-Speichers ähnelt der eines EEPROM und besteht ebenfalls aus zweischichtigen Floating-Gate-MOS-Transistoren. Die erste Schicht des Gate-Dielektrikums ist jedoch sehr dünn und fungiert als Tunneloxidschicht.
Die Schreibmethode des Flash-Speichers entspricht der des EEPROM, wobei eine positive Spannung an das Floating Gate der zweiten Ebene angelegt wird, damit Elektronen in das Floating Gate der ersten Ebene gelangen. Die Lesemethode entspricht der des EPROM. Das Löschen erfolgt durch Anlegen einer positiven Spannung an die Source und Nutzung des Tunneleffekts zwischen dem Floating Gate der ersten Stufe und dem Drain, um die in das Floating Gate injizierten negativen Ladungen zur Source zu ziehen.
Wenn das elektrische Feld entfernt wird, verbinden Sie 0 V mit dem Gate. Wenn der MOS-Transistor eingeschaltet ist, handelt es sich um eine Löschzelle, die als logische „1” definiert ist. Wenn der MOS-Transistor nicht eingeschaltet ist, handelt es sich um eine Programmzelle, die als logische „0” definiert ist. Dies entspricht der „permanenten” Speicherung von 1 Bit Information in dieser Einheit. Die Größe dieser Schwellenspannung entspricht der Anzahl der Elektronen im Floating Gate.
Da zum Löschen eine positive Spannung an die Source angelegt wird, sind die Sources jeder Zelle miteinander verbunden. Auf diese Weise kann das Löschen nicht byteweise erfolgen, sondern nur im gesamten Chip oder Block. Mit der Verbesserung der Halbleitertechnologie hat auch der Flash-Speicher ein Einzeltransistor-Design realisiert, hauptsächlich durch Hinzufügen von Floating Gates und Selection Gates zu den ursprünglichen Transistoren. Bei der Programmierung dieser Speichergeräte werden Daten häufig in Formaten wie dem HEX-Dateiformat organisiert.
Flash-Speicherzelle
Die Größe dieser Schwellenspannung entspricht der Anzahl der Elektronen im Floating Gate. Je nach Anzahl der in das Floating Gate injizierten Elektronen lassen sich die Zellen des Flash-Speichers in mehrere Zustände unterteilen:
SLC: Single-Level-Zelle, 1 Bit, 2 Zustände;
MLC: Multi-Level-Zelle, 2 Bits, 4 Zustände;
TLC: Triple-Level-Zelle, 3 Bits, 8 Zustände;
QLC: Quad-Level-Zelle, 4 Bits, 16 Zustände.
Arten von Flash-Speichern
Flash-Speicher lassen sich in zwei Typen unterteilen: NOR-Flash und NAND-Flash. NOR-Flash ermöglicht den wahlfreien Zugriff auf einzelne Zellen, während NAND-Flash in der Regel für Massenspeichergeräte wie USB-Sticks und Speicherkarten verwendet wird.
NOR-Flash
NOR-Flash-Speicher haben eine „parallele“ Struktur, wobei jede Zelle über eine separate Wortleitung und Bitleitung verfügt. Das Besondere an NOR-Flash-Speichern ist, dass sie Operationen im Chip ausführen, sodass das Anwendungsprogramm direkt im NOR-Flash-Speicher ausgeführt werden kann, ohne dass der Code in den System-RAM gelesen werden muss.
NAND-Flash
Der NAND-Flashspeicher ist eine „Tandem“-Struktur, bei der eine Reihe von Flashspeicherzellen Ende an Ende miteinander verbunden sind und sich eine Bitleitung teilen. Die grundlegende Speichereinheit des NAND-Flashspeichers ist eine „Seite“, ähnlich einem Sektor einer Festplatte. Sein Vorteil besteht darin, dass er sehr klein und hochintegriert hergestellt werden kann.
NOR-Flash vs. NAND-Flash
NOR-Flash ist teurer als NAND-Flash, hat jedoch eine höhere Lebensdauer und eignet sich besser für Anwendungen, die häufige Lese-/Schreibvorgänge erfordern. NAND-Flash ist günstiger und hat eine geringere Lebensdauer, ist jedoch schneller und eignet sich besser für Anwendungen, die große Datenmengen speichern müssen.
Geschichte des Flash-Speichers
Im Vergleich zu vielen kurzlebigen Informationstechnologien blickt der Flash-Speicher auf eine langjährige Geschichte zurück. 1984 stellte Toshiba erstmals das Konzept des schnellen Flash-Speichers vor. In den folgenden Jahrzehnten wurde der Flash-Speicher kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert.
Der erste NOR-Flash – 1988
Intel war das erste Unternehmen weltweit, das Flash-Speicher herstellte und auf den Markt brachte. 1988 brachte das Unternehmen einen 256K-Bit-Flash-Speicherchip auf den Markt. Dieser ist in einem Kassettenrekorder eingebaut. Später wurde diese von Intel erfundene Art von Flash-Speicher allgemein als NOR-Flash-Speicher bezeichnet. Er kombiniert zwei Technologien, EPROM und EEPROM, und verfügt über eine SRAM-Schnittstelle.
NAND-Flash – 1989
Der zweite Typ von Flash-Speicher wird als NAND-Flash-Speicher bezeichnet. Er wurde 1989 von Hitachi entwickelt und galt als idealer Ersatz für NOR-Flash-Speicher. Zunächst einmal ist der Schreibzyklus von NAND-Flash-Speichern um 90 % kürzer als der von NOR-Flash-Speichern, und ihre Speicher- und Löschgeschwindigkeit ist relativ hoch. Zweitens ist die Speichereinheit von NAND nur halb so groß wie die von NOR, bei einem geringeren Speicherplatzbedarf. Aufgrund seiner hervorragenden Leistung wird NAND häufig für Speicherkarten wie CompactFlash, SmartMedia, SD, MMC, xD und PC-Karten, USB-Sticks usw. verwendet.
3D-NAND-Flash – 2021
Im Jahr 2021 brachte das chinesische Unternehmen YMTC einen 128-Layer-3D-NAND-Flashspeicher auf den Markt. Dieser verfügt über die höchste Speicherdichte pro Flächeneinheit, die höchste I/O-Übertragungsgeschwindigkeit und die höchste Kapazität eines einzelnen NAND-Flashspeicherchips.
Markt für Flash-Speichergeräte
Auf dem Markt sind Samsung, Hitachi, Spansion und Intel die vier größten Hersteller von Flash-Speichergeräten. Unter den Flash-Speichergeräten dürfte den meisten Menschen die Flash-Speicherfestplatte bekannt sein. Im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten zeichnen sich Flash-Speicherfestplatten durch hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeiten sowie einen geringen Stromverbrauch aus. Neben Flash-Laufwerken wird Flash-Speicher auch in elektronischen Produkten wie BIOS in Computern, PDAs, Digitalkameras, Diktiergeräten, Mobiltelefonen, Digitalfernsehern und Spielekonsolen verwendet.
Flash-Speicher vs. SSD
- Im Vergleich zu SSDs ist der Flash-Speicher kleiner und leichter.
- Die Struktur des Flash-Speichers ist widerstandsfähiger gegen Stürze als die der SSD.
- Flash-Speicher bieten eine höhere Lesegeschwindigkeit, während SSDs durch ihre Rotationsgeschwindigkeit begrenzt sind.
- Flash-Speicher speichern Daten sicherer als SSDs.
- Da es sich um eine nicht-mechanische Struktur handelt, hat Bewegung keinen Einfluss auf das Lesen und Schreiben.
- Die Lebensdauer von Flash-Speichern ist länger, während SSDs durch die Anzahl der Lese- und Schreibvorgänge sowie durch die Geschwindigkeit beeinträchtigt werden.
- SSD wird durch Magnetismus beschrieben, während Flash-Speicher durch Spannung beschrieben wird und die Daten nicht gelöscht werden.
- Die Materialien für die Herstellung von Flash-Speichern sind knapp, sodass die Speicherkapazität pro Einheit bei Flash-Speichern teurer ist als bei SSDs.
Fazit
In diesem Blog stellen wir Ihnen die Struktur, Entwicklungsgeschichte, Funktionsweise und Arten von Flash-Speichern vor. Sie bieten viele Vorteile gegenüber SSDs. Für die meisten Unternehmen sind Flash-Speicher trotz des Aufkommens neuer Alternativen wie MRAM und OUM auf dem Markt nach wie vor eine gute Investition.
Häufig gestellte Fragen
Alle Computerdaten können gespeichert werden, einschließlich Dateien, Programme, Bilder, Musik, Multimedia usw.
Der Flash-Speicher kann 1.000.000 Mal gelöscht und beschrieben werden.
Genau wie alle Festplatten können auch Flash-Laufwerke mit Viren infiziert werden.
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