Festplatten bekommen Konkurrenz

Flash-Speicher entwickeln sich langsam aber sicher zum Konkurrent der Festplatten, zumindest aber zu deren Ergänzung als schneller Zwischenspeicher. Die neue Santa-Rosa-Plattform von Intel für die nächste Generation von Notebooks ist hierfür ein Beispiel. Aber auch eigenständige Flash-Massenspeicher mit bis zu 256 Gigabyte sind bereits angekündigt.

Flash-Halbleiter-Speicher sind ein Derivat der elektrisch löschbaren Festwertspeicher(EEPROM - Electric Erasable Programmable Read Only Memory), der wesentliche Unterschied besteht darin, dass sich beim Flash nur gewisse Speicherbereiche (Worte, bis zu 64 Bit) und nicht einzelne Bits individuell löschen lassen - daher auch der Zusatz "Flash". Die einzelnen Speicherzellen auf dem Chip sind in einer MOSFET-Struktur (Metal Oxyde Field Effect Transistor) aufgebaut, der aus drei Anschlüssen besteht - Gate (Steuerelektrode), Source (Quelle) und Drain (Senke). Abhängig von der elektrischen Ladung zwischen Gate und Source und damit der elektrischen Feldstärke kann zwischen Source und Drain kein (logisch 0) oder ein Strom (logisch 1) fließen, dass ist vereinfacht das Grundprinzip der digitalen Informationsspeicherung in Halbleitern. Der MOSFET hat bei anliegendem elektrischen Feld am Gate den stabilen Zustand 1 und 0 bei nicht anliegenden Feld - die voneinander isolierten Elektroden bilden einen kleinen Kondensator, über dessen Ladung sich der logische Zustand ändern lässt. Um also von 1 auf 0 zu kommen, muss dieser Kondensator entladen werden, das erfolgt durch Anlegen einer umgekehrt polarisierten Spannung. Das Schalten zwischen 1 und 0 entspricht also nur einem Ladungswechsel.

Leider entlädt sich dieser Kondensator bei Abschalten der Versorgungsspannung, die Information bleibt nicht erhalten. Ein Flash-Speicher soll jedoch die Information dauerhaft speichern. Zwischen Gate und Drain wird deshalb ein sogenanntes Floating Gate als Ladungsfalle implementiert, auf dem sich Ladungsträger sammeln und auch nach Abschalten der Versorgungsspannung dort verbleiben - die Information bleibt erhalten. Löschen lässt sich die Information nur blockweise durch Anlegen einer relativ hohen negativen Spannung, während das Schreiben für jede einzelne Zelle individuell erfolgt.

Heute gängige Flash-Varianten sind NOR und NAND. Bei der NOR-Variante sind die einzelnen MOSFET-Zellen in logischer ODER-Anordnung parallel an Wort- und Bit-Leitungen angeordnet und lassen sich individuell auslesen. NAND-Zellen sind in logischer UND-Anordnung in Reihe geschaltet und erfordern weniger Siliziumfläche, allerdings ist die Ansteuerung komplexer. Bei NAND-Flash werden auch dieselben Anschlüsse für Daten- und Adressleitungen genutzt (Multiplexen). Neue Varianten können sogar bis zu vier Bit pro Zelle speichern. NAND hat sich daher für Speicherkarten weitgehend durchgesetzt.

Ein oft genannter Nachteil von Flash-Speichern ist die begrenzte Zahl von Löschzyklen, hier müssen die Elektronen auf den Floating Gate die isolierende Oxidschicht durchtunneln. Durch die dafür erforderliche hohe Spannung degeneriert bei jedem Löschen diese Oxidschicht ein wenig, so dass nach derzeit maximal 1 Million Zyklen die Isolationsfähigkeit des Oxids verloren geht und damit auch die Ladung auf dem Floating Gate. Einzelne defekte Zellen führen jedoch nicht zum Ausfall des gesamten Speichers, denn der Controller kann die Informationen periodisch auf andere Zellen laden und so entweder defekte Zellen ausblenden oder für eine ausgewogene Belegung sorgen.

Das Marktpotenzial für Flash-Speicher wächst durch neue Anwendungen und durch den Preisverfall ständig. So erwartet Semico Research im Jahr 2009 einen Preis von 9 $ für 1 Gigabyte NAND-Flash, in 2005 waren es noch 45 $! Samsung Electronics beispielsweise konnte in 2006 knapp 120 Millionen 512-MBit-äquivalente OneNAND Flash-Fusion-Chips absetzen, eine Steigerung um 130 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Fusion-Flash-Speicher sind eine Kombination aus einem NAND-Kern mit einem SRAM (Static Random Access Memory), die ein NOR-Flash emuliert. OneNAND wurde ursprünglich für Mobiltelefone entwickelt und ist inzwischen auch für Digitalkameras oder Hybrid-Festplatten spezifiziert. Mit einer maximalen Leserate von 108 MByte/Sekunde sind OneNAND Memories viermal schneller als übliche NAND-Flash-Speicher, sie erreichen eine Schreibgeschwindigkeit bis zu 17 MByte/Sekunde und sind damit um den Faktor 34 schneller als Multi-Level-Cell NOR-Flash-Speicher.