Flash-Speicher ist eine nichtflüchtige, programmierbare, schnelle, chipbasierte Speichertechnologie, die Daten auch ohne kontinuierliche Stromversorgung erhält. Es gibt zwei Arten von Flash-Speicher, NAND und NOR, die jeweils unterschiedliche Stärken und Schwächen haben und sich daher für verschiedene Einsatzzwecke eignen.
NOR-Flash-Speicher wird typischerweise in Mobiltelefonen, Geräten des Internets der Dinge (IoT), medizinischen Geräten und wissenschaftlichen Instrumenten eingesetzt, während NAND in Digitalkameras, USB-Laufwerken, Secure-Digital-(SD-)Speicherkarten, Tablets und Computern zum Einsatz kommt. In einigen Fällen verwenden digitale Geräte wie Computer und Mobiltelefone sowohl NAND als auch NOR – beispielsweise NAND-Flash im Solid-State-Laufwerk (SSD) und NOR-Flash im BIOS des Betriebssystems.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über beide Arten von Flash-Speicher und erläutert, wodurch sie sich unterscheiden.
Was ist NAND?
Flash-Speicher legt Daten in Speicherzellen-Arrays ab, die durch Floating-Gate-Metalloxid-Feldeffekttransistoren definiert sind und eine binäre 1 oder 0 speichern. Jeder Transistor verfügt über zwei Gates und funktioniert wie ein elektrischer Schalter, bei dem der Strom zwischen zwei Punkten fließt. Der Name NAND steht für NOT-AND, die verwendete logische Gatterart.
Anders als DRAM benötigt NAND keine dauerhafte Stromversorgung. Wird das SSD oder die Speicherkarte von der Stromquelle getrennt, liefern Metalloxid-Halbleiter, sogenannte Floating-Gate-Transistoren (FGT), elektrische Ladungen an die Speicherzellen, sodass die Daten erhalten bleiben.
NAND ist der beliebteste Typ von Flash-Speicher für USB-Flash-Laufwerke, Speicherkarten und Solid-State-Laufwerke (SSDs). NAND-Zellarrays speichern zwischen einem und vier Datenbits.
NAND-Typen
Die häufigsten NAND-Typen sind SLC, MLC und TLC, die jeweils zwischen einem und drei Bits pro Zelle speichern. Auch 3D-NAND, bei dem die Zellen vertikal gestapelt werden, setzt sich in leistungsstarken Umgebungen mit hoher Datendichte zunehmend durch.
- SLC: Single-Level-Cell-NAND speichert ein Informationsbit pro Zelle. Diese Architektur bietet mit einer Lebensdauer von 100.000 Programmier-/Löschzyklen (P/E-Zyklen) – also der Anzahl der Male, die eine Zelle gelöscht und neu beschrieben werden kann – die höchste Haltbarkeit, Leistung und Datenintegrität dieser Gruppe. SLC-NAND ist derzeit der teuerste Flash-Speicher auf dem Markt und wird in industriellen Anwendungen eingesetzt, die Haltbarkeit und Geschwindigkeit erfordern.
- MLC: Multi-Level-Cell-NAND speichert zwei Informationsbits pro Zelle. Dadurch sinkt der Preis pro Speicherkapazität gegenüber SLC, gleichzeitig steigt jedoch die Anfälligkeit für Datenfehler und die Haltbarkeit nimmt ab. MLC-Chips finden sich aufgrund ihres günstigen Preises und ihrer Leistung in der Regel in Verbraucherprodukten wie Laptops und PCs.
- eMLC: Enterprise Multi-Level Cell stammt von MLC ab, speichert ebenfalls zwei Bits pro Zelle und ist für den kommerziellen Einsatz optimiert. eMLC-Laufwerke sind teurer als MLC, aber günstiger als SLC, und verfügen über einen intelligenten Controller, der Wear-Leveling und die Datenplatzierung verwaltet, um die Nutzungsdauer zu verlängern.
- TLC: Triple-Level-Cell-NAND speichert drei Bits pro Zelle, senkt dadurch Kosten und Haltbarkeit und erhöht die Kapazität. Mit einer Haltbarkeit von nur 3.000 P/E-Zyklen ist TLC der günstigste Typ und wird vor allem in Verbraucherprodukten eingesetzt.
- QLC: Quad-Level-Cell-NAND speichert vier Bits pro Zelle und ermöglicht dadurch Speichergeräte mit höherer Dichte und größerer Kapazität. Die geringere Leselatenz von QLC eignet sich für leseintensive Vorgänge in Anwendungen wie künstlicher Intelligenz (KI), maschinellem Lernen, Big Data und der Bereitstellung von Inhalten. QLC ist zwar hervorragend für Lesevorgänge geeignet, hat aber nur eine Haltbarkeit von 1.000 P/E-Zyklen und eignet sich daher nicht für schreibintensive Anwendungen. Der geringe Stromverbrauch trägt jedoch zu einer längeren Akkulaufzeit der Geräte bei.
- 3D-NAND: Flash-Hersteller arbeiten daran, die Zellengröße zu verringern, um mehr Transistoren auf Mikrochips unterzubringen und die Kapazität eines NAND-Geräts zu erhöhen. Das Verkleinern der Zellen mithilfe der oben genannten Technologien auf Zellebene führte jedoch zu Interferenzen zwischen den Zellen, wodurch die Datenintegrität von NAND-Flash abnahm. Mehrschichtiger Flash erhöht die Kapazität und hält die Kosten niedrig, indem Speicherzellen in mehreren Schichten vertikal gestapelt werden. Durch den Wechsel von zwei zu drei Dimensionen erreichen 3D-NAND-Geräte eine höhere Dichte und einen geringeren Stromverbrauch, schnellere Lese- und Schreibvorgänge sowie eine höhere Haltbarkeit. Außerdem verwenden Anbieter beim vertikalen Stapeln der Speicherzellen einen als Charge-Trap-Flash bekannten Siliziumnitridfilm, um die Herstellungskosten zu senken, die Chipgröße zu verringern und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Charge-Trap-Flash ersetzt die Floating-Gate-Technologie, wodurch sich die gesamten Herstellungskosten reduzieren.
Was ist NOR-Flash?
NOR-Flash war die erste entwickelte Flash-Art. Die Zellen eines NOR-Chips sind parallel zueinander angeordnet, wodurch sich Daten effizient lesen, aber nicht ganz so schnell schreiben lassen. NOR wird meist dort eingesetzt, wo Code einmal geschrieben und häufig gelesen wird.
NOR lässt sich in kleinen Chips herstellen und ist ein Halbleiterspeicher, wodurch er stoßfest ist und sich für Geräte eignet, die bewegt werden oder herunterfallen können. Der Name steht für NOT-OR, die verwendete logische Gatterart.
Es gibt zwei Haupttypen von NOR-Flash-Speicher: parallelen und seriellen NOR-Flash. Beim parallelen NOR adressiert ein Speichercontroller den Speicher über einen parallelen Adressbus mit acht oder 16 Bit. Serieller NOR-Flash oder Serial Peripheral Interface (SPI) NOR speichert Daten sowohl in Pages als auch in größeren Sektoren.
NAND vs. NOR
Sowohl NOR- als auch NAND-Flash-Speicher sind in kleinen Elektronikgeräten wie Kameras und Smartphones integriert, doch nur NAND ist kostengünstig und dicht genug für den Einsatz in Flash-basierten Enterprise-Speicherumgebungen. Keine der beiden Technologien ist neu; Toshiba entwickelte sie bereits Anfang der 1980er-Jahre.
- Einsatz. NAND wird deutlich häufiger eingesetzt als NOR-Flash-Speicher. Einer der fortschrittlichsten 3D-NAND-Mikrochips, die in diesem Jahr von Kioxia und Western Digital veröffentlicht wurden ist ein 218-lagiger 3D-NAND-Chip mit einer rekordverdächtigen Schnittstellengeschwindigkeit von 3.200 MT/s und einer effektiven Rate von 25.600 MB/s. Er ist schneller und besser für die Langzeitspeicherung geeignet, wie sie häufig von geschäftskritischen Enterprise-Anwendungen genutzt wird.
- Verbindungen der Speicherzellen. NOR-Flash verbindet jede Speicherzelle mit der Source-Leitung und das andere Ende mit einer Bitleitung, wodurch mehrere Zellen gleichzeitig mit einer Bitleitung verbunden werden können. Da die Zellen parallel geschaltet sind, kann das System einzelne Speicherzellen schreiben und lesen. NOR-Flash eignet sich am besten für kleine Datenmengen, etwa den BIOS-Code eines Betriebssystems, der die anfängliche Startsequenz und die Hardwareinitialisierung eines Computers steuert. NAND-Zellen sind dagegen in Reihe geschaltet, was weniger Platz benötigt und das Schreiben einzelner Speicherzellen verhindert. Diese seriellen Verbindungen benötigen weniger Raum, erlauben jedoch kein direktes Schreiben in einzelne Speicherzellen.
- Leseleistung. NOR-Flash liest Daten schneller als NAND-Flash. Beim Vergleich eines NAND-MLC-Flash-Geräts mit einem NOR-MLC-Gerät beträgt die Leserate des NAND-Geräts etwa 20,5 MB/s, während das NOR-Gerät 61,5 MB/s erreicht. Der Grund dafür ist, dass NOR den wahlfreien Zugriff auf jede Speicheradresse ermöglicht. NOR-Flash-Speicher erlaubt dem System, Bytes unabhängig von Pages und Blöcken zu lesen. NAND liest langsamer, da es den Zugriff auf Pages und Blöcke, nicht aber den wahlfreien Zugriff unterstützt. NAND liest Daten in Blöcken, deren typische Größe mehrere hundert oder mehrere tausend Bits beträgt.
- Schreib- und Löschleistung. Im Gegensatz zur Leseleistung sind Schreib- und Löschvorgänge bei NAND-Mikrochips schneller als bei NOR-Geräten.
- Haltbarkeit. NOR-Flash-Speicher ermöglicht das Schreiben auf Byte-Ebene, was seine Haltbarkeit gegenüber NAND-Speicher verbessert. NAND muss Blöcke löschen (z. B. 512 Datenbytes), selbst wenn nur ein einzelnes Byte geändert wurde. NOR-Zellen verfügen während ihrer gesamten Lebensdauer zu 100 Prozent über fehlerfreie Blöcke, während NAND-Zellen beim Versand typischerweise zu 98 Prozent aus fehlerfreien Bits bestehen – NAND-Hersteller fügen daher in der Regel Fehlerkorrekturcodes (ECC) hinzu, die NOR nicht benötigt.
- Dichte. NOR-Speicher hat eine geringere Dichte als ein vergleichbarer NAND-Flash-Speicherchip. Die Dichten von NOR reichen von 64 MB bis 2 GB, während NAND mit dem 232-lagigen NAND-Chip von Micron auf bis zu 2 TB erweitert wurde.
Vergleichstabelle für NOR und NAND
Fazit: NAND- vs. NOR-Flash-Speicher
Obwohl NAND-Speicher weiterhin die beliebteste Flash-Speicherart ist, bleibt NOR-Flash-Speicher in der richtigen technologischen Situation eine sinnvolle Option. Beide haben ihren Platz in modernen Geräten, wobei sich beide Technologien etwa im Zweijahresrhythmus deutlich weiterentwickeln. Mitte 2023 hatte ein Überangebot den Preis von NAND-Mikrochips erheblich gedrückt. Dadurch sanken auch die Kosten für SSDs mit NAND-Flash, sodass schnellerer Speicher mit höherer Kapazität erschwinglicher wurde. Die Preise für NOR haben sich ähnlich entwickelt, sodass für Unternehmen, die Lösungen auf Basis dieser Technologien erwerben möchten, ein guter Zeitpunkt zum Handeln gekommen ist.