Computerhardware: Flash-Speicher

Memory-Stick: 2=Controller, 4=Speicherchip, 5=Taktgeber, 6=Anzeige-LED, 7=Schreibschutzschalter, 8=Platz für zweiten Speicherchip

Verwendung

Das wichtigste Ziel bei der Weiterentwicklung von ROM über PROM und EPROM zu EEPROM war eine einfachere und schnellere Beschreibbarkeit. EPROM musste man zum Löschen und Beschreiben noch aus dem Gerät herausnehmen, bei EEPROMS brauchte man das nicht mehr. Die weitere Beschleunigung des Schreibvorganges führte zu den sogenannten Flash-Speichern. Ebenso wie bei allen ROM-Speichern verliert Flash-Speicher die Daten bei Stromausfall nicht.

Wie funktioniert eine Flash-Speicherzelle?

Stellen Sie sich ein Stück Halbleiter vor, das rundum mit Silizium-Oxid isoliert ist. Als Deckel dient ein Stück Silizium, genannt „Floating-Gate“. Wenn sich in der Zelle eine elektrische Ladung befindet, wird sie vom Floating Gate „eingesperrt“, jahrelang. Über dem Floating-Gate befindet sich ein „Control Gate“. Die Leitfähigkeit des Control Gate hängt davon ab, ob sich in der Speicherzelle eine Ladung befindet oder nicht. Man kann den Speicherinhalt beliebig oft lesen, ohne dass sich die Ladung der Speicherzelle dabei verändert.

Um die Ladung in die Zelle hinein- oder herauszubefördern, wird die Isolierschicht mit einer hohen Spannung „durchschlagen“, wie von einem „Flash“ (Blitz). Es gibt dabei zwei Probleme: Das Schreiben dauert deutlich länger als das Lesen. Schlimmer ist, dass die Isolierschicht dabei Schaden nimmt. Nach einigen hunderttausend Schreib- oder Löschvorgängen ist die Speicherzelle kaputt. Bei einem USB-Stick oder Kameraspeicher wird diese Zahl zum Glück nie erreicht.

Lebensdauer

Flash-Speicher überstehen eine endliche Anzahl von Lösch/Schreibvorgängen, gegenwärtig einige hunderttausend bis wenige Millionen. Deshalb muss die Anzahl der Schreibvorgänge durch geeignete Software und die Ansteuerlogik minimiert werden. Das wird auf mehreren Wegen erreicht.

1. Die zu schreibenden Daten werden längere Zeit im Cache-RAM des Betriebssystems gesammelt.
2. Die Speicherzellen werden zu Blöcken von z. B. 4 kByte zusammengefasst. Ein Block wird stets im Ganzen geschrieben. Der Zustand jedes einzelnen Blockes wird in einer Tabelle registriert. Ausgefallene Blöcke werden durch Ersatzblöcke ersetzt.
3. Nach einem „Wear Leveling“ genannten Verfahren werden die Daten möglichst gleichmäßig im gesamten Speicherchip verteilt. Idealerweise wird damit eine gleichmäßige „Abnutzung“ aller Speicherblöcke erreicht. Zahlreiche Sticks (nicht alle) haben dieses Verteilverfahren in die Ansteuerelektronik integriert. Falls nicht, hat Windows ab Version Vista dafür eine Softwarelösung.

Wichtig: Lässt sich ein Stick wegen "Abnutzung" nicht mehr beschreiben, kann er zumindest noch gelesen werden.

Zwei Arten der Ansteuerung: NAND und NOR

Bei der NAND-Schaltung teilt sich eine Gruppe von Speicherzellen eine gemeinsame Datenleitung. Lesen und Schreiben kann dadurch nur in ganzen Blöcken erfolgen, wie z. B. bei einer Festplatte. Die geringere Zahl von Datenleitungen spart Platz auf dem Chip. Die NAND-Architektur ist optimal, wenn viel Speicher auf wenig Platz gefragt ist und die Zugriffszeit nicht so wichtig ist.

Bei der NOR-Architektur ist jede Speicherzelle direkt ansteuerbar. Der technologische Aufwand ist höher, doch die Zugriffszeit ist erheblich kürzer.

Verwendung

Flash-ROM werden vielseitig verwendet, unter anderem:

• Als USB-Memory-Sticks für den Datentransport zwischen Computern. Bei Preisen von zehn Euro für 64 Gigabyte sind die größeren auch als Backup-Medium geeignet.
• Als Speicherkarte in MP3-Playern, E-Book-Readern, Kameras, Mobiltelefonen, Navigationsgeräten, Smartphones und Tablet-Computern,
• In Solid State Disks als Ersatz für mechanische Festplatten,

Leider herrscht bei den Bauformen der Speicherkarten ein unglaubliches Chaos. Es fehlt ein Standard. Es gibt bereits Universal-Kartenleser, die 36 verschiedene Karten lesen können. Samsung, Sony Ericsson, Nokia, Texas Instruments und andere Hersteller haben sich auf einen Industriestandard Universal Flash Storage (UFS) geeinigt, der 2011 fertiggestellt wurde. UFS ist schnell und stromsparend. Leider stemmte sich die Firma Sandisk gegen den Standard: Sandisk wollte das hauseigene Format nicht aufgeben. Doch inzwischen wurde Sandisk, der ehemalige Marktführer bei SD-Speicherkarten, von Western Digital übernommen. Samsung hat im Juli 2016 die ersten Speicherkarten nach UFS-Standard vorgestellt. Es gibt sie in Größen von 32 bis 256 GB und sie sind fünfmal schneller als MicroSD-Karten. Das Lesen mit 530 MByte/s und das Schreiben mit 170 MByte/s ist fast vergleichbar mit SSD-Festplatten. Das Galaxy Note 7 ist das erste Smartphone, das UFS-Karten verwenden kann. Es besitzt einen von Samsung entwickelten Universal-Steckplatz, der wahlweise UFS- oder SD-Speicherkarten aufnehmen kann.

Drei Technologien: SLC, MLC und TLC

Zunächst konnte jede Speicherzelle nur ein Bit speichern, also „0“ oder „1“. Solche Zellen werden als Single-Level-Cell-Speicherzellen, kurz SLC, bezeichnet. Inzwischen ist es gelungen, Multi-Level-Cell-Speicherzellen, kurz MLC, zu schaffen. Das sind Speicherzellen, in denen mehr als ein Bit pro Zelle gespeichert wird. Speicherzellen, die zwei Bit speichern können, arbeiten mit vier verschiedenen Zuständen („keine Ladung“, „wenig Ladung“, „zweidrittel geladen“, „voll geladen“), denen die Ziffern „0“, „1“, „2“ und „3“ zugeordnet werden. Diejenigen MLC-Zellen, die drei Bit (8 Zustände) speichern können, werden als Triple-Level-Cell-Speicher bezeichnet. Die ersten Chips mit Quad-Level-Zellen, in denen sogar vier Bit (16 Zustände) gespeichert werden, werden seit Sommer 2018 von Intel produziert. Erinnern Sie sich an die Erklärung, dass das Dezimalsystem für Computer ungeeignet ist, weil es schwer ist, zehn verschiedene Spannungen präzise zu unterscheiden? MLC-Zellen zu lesen und zu schreiben dauert länger als bei SLC.

Je mehr Ladungszustände pro Zelle unterschieden werden müssen, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten von Bitfehlern. Der Aufwand für Fehlerkorrekturschaltungen steigt. Außerdem beansprucht das ­Schreibverfahren eine MLC- oder TLC-Speicherzelle stark, die Zellen altern schneller bei häufigem Schreiben. Andererseits kann pro Flächeneinheit die ­doppelte, vierfache und zukünftig sogar die achtfache Kapazität gespeichert werden. MLC sind zu empfehlen, wenn Daten nur selten geschrieben werden, z. B. für USB-Memory-Sticks und für Backup-Festplatten, die mindestens monatlich beschrieben werden.

Datensicherheit

Ob USB-Sticks oder Speicherkarten, sie gehen leicht kaputt oder verloren. Kontaktprobleme am Stecker können ebenfalls zu Datenverlusten führen. Manchmal genügt ein Wackeln am eingesteckten Stick.

Besonders gefährlich ist die Unsitte des Herausziehens eines USB-Sticks ohne vorheriges Abmelden. Die zu schreibenden Daten, insbesondere die Verwaltungstabellen, werden von Windows eine längere Zeit im Cache-RAM behalten. Nur wenn Sie Windows von Ihrer Absicht informieren, den Stick zu entfernen, können Sie sicher sein, dass alle zu schreibenden Daten tatsächlich auf dem Stick ankommen. Gleiches gilt für Linux. Andernfalls können die zuletzt geschriebenen Daten oder der ganze Inhalt des Speichersticks verloren gehen. Warum das so gefährlich ist, können Sie am Ende des Kapitels über externe Festplatten genauer nachlesen.

Wie gut auch immer die Ladung der Speicherzelle isoliert ist − es gibt keinen idealen Isolator und ganz allmählich geht die Ladung der Speicherzellen zurück. Wie lange bleiben die gespeicherten Daten erhalten, wenn keiner dieser Unfälle geschieht?

Ein SLC-Speicher behält seine Daten etwa 10 Jahre, ein MLC-Speicher ein Jahr und ein TLC-Speicher etwa sechs Monate. Die meisten Speichersticks im Handel sind aus Preisgründen mit MLC-Zellen bestückt. Wenn Sie wichtige Daten längere Zeit auf einem USB-Speicherstick aufbewahren wollen, sollten Sie mehrmals im Jahr die Daten auf die Festplatte kopieren, den Speicherstick neu formatieren und die Daten auf den Stick zurückkopieren. Falls Ihnen das zu aufwändig ist oder Sie oft große Datenmengen auf einen Stick schreiben wollen, sollten Sie nach SLC-Sticks suchen. Speicher mit SLC-Zellen sind auch für Festplatten in Servern und intensiv genutzten Computern zu empfehlen: Sie sind langlebiger und haben kürzere Zugriffszeiten.

Frühzeitige Erkennung

Der Nachlass der Beständigkeit von Daten auf soliden Datenträgern („Flashspeicher“) lässt sich durch eine graphische Darstellung der Lesegeschwindigkeit mithilfe von Programmen wie „HDDScan“ einschätzen.

Falls es stellenweise zu Abfällen der Lesegeschwindigkeit oder zu kurzen Stillständen kommt, versucht möglicherweise die Steuerungshardware des Speichers, kleine Fehler zu korrigieren. Häufen sich diese Fehler, könnten Daten beschädigt werden. Dies sind keine physikalischen, sondern lediglich „logische Fehler“, und die Sektoren lassen sich anschließend erneut beschrieben.

Billigere solide Datenträger tendieren dem Betriebssystem gegenüber zum verschweigen von Lesefehlern, und liefern eventuell beschädigte Dateien ohne sie als Solche zu berichten zurück.

Hochwertigere solide Datenträger führen Fehlerkorrekturen in der Regel bereits automatisch im Leerlaufbetrieb (während einer Stromversorgung ohne Datenzugriff) durch.

Die Datenbeständigkeit läßt bei mehr durch Schreibzyklen abgenutzten Datenträgern tendenziell schneller nach.

Solid State Drive (SSD)

SSD steht für „Solid State Disk“. Eine größere Anzahl Flash-Speicher plus Steuerelektronik ergeben einen schnellen, geräuschlosen, stromsparenden Massenspeicher, der anstelle einer magnetischen Festplatte verwendet werden kann. Es gibt sie in zwei Bauformen: in einem Gehäuse von der Größe einer 2,5" Festplatte oder ohne Gehäuse mit M.2-Ausführung. In hochwertigen Notebooks sind sie häufig anzutreffen. In Smartphones und Tablet-Computern wird dieser Festplattenersatz als „NAND-Speicher“ bezeichnet.

Eine SSD-„Festplatte“ ist einer Magnet-Festplatte in der Geschwindigkeit haushoch überlegen, allerdings auch wesentlich teurer. Mehr dazu können Sie im Kapitel über Festplatten lesen und im Kapitel Solid State Disk.

Quellen