Was ist ein NAND-Flash?
Als NAND-Flash werden nichtflüchtige Speicher mit sequentiellem Zugriff bezeichnet. Das bedeutet, die Speicherzustände werden auch nach dem Abschalten der Versorgungsspannung beibehalten. Die Datensätze sind aufeinanderfolgend angeordnet, sodass bei jedem Zugriff alle Datensätze zwischen Ausgangs- und Zielposition aufgesucht werden müssen. Herkömmliche NAND-Speicher haben einen planaren Aufbau und arbeiten mit MOSFETs (Feldeffekttransistoren in MOS-Technologie).
Inhaltsverzeichnis
- Was ist ein NAND-Flash?
- Allgemeine Informationen
- Geschichte und Entwicklung des NAND-Flashs
- Wofür NAND-Flash genutzt wird?

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Allgemeine Informationen
Flash-Speicher kombinieren die Vorteile von Festplatten und Halbleiterspeichern. Sie kommen einerseits ohne bewegliche Teile aus (Flash-Komponente) und erhalten andererseits die Daten auch nach dem Abschalten der Energieversorgung (Festplatten-Komponente).
Das Besondere am NAND-Flash ist die interne serielle Verschaltung, die Lesen und Schreiben ausschließlich in Blöcken erlaubt. Dadurch lässt sich eine relativ geringe Anzahl an Datenleitungen realisieren. Im Vergleich zu anderen nichtflüchtigen Speicherarten sind die Schreibgeschwindigkeit – abhängig vom verbauten Controller – höher und der Stromverbrauch geringer. Außerdem lässt sich in der Herstellung eine höhere Speicherdichte zu geringen Kosten umsetzen.
Welche Vorteile bietet NAND-Flash?
Da bewegliche Teile fehlen, arbeiten NAND-Speicher geräuschlos und sind unempfindlich gegen magnetische Felder sowie Erschütterungen. Eine Erhaltungsladung ist bei dieser Bauweise nicht notwendig, da die gespeicherten Daten auch ohne Versorgungsspannung erhalten bleiben. Das senkt den Energieverbrauch und hält die Wärmeentwicklung gering.
Die einfache und platzsparende Anordnung der Speicherzellen setzt der erreichbaren Speichergröße grundsätzlich keine Grenzen – lediglich die Produktionskosten entscheiden über die machbaren Erweiterungen. Ebenfalls vorteilhaft: Im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten (HDD) bieten Flash-Speicher weitgehend konstante Lese- und Schreibgeschwindigkeiten.
Die recht hohen Herstellungskosten schlagen sich auch auf den Verkaufspreis nieder, weshalb hochwertige Flash-Speicher vergleichsweise teuer sind. Ein weiterer Nachteil: Die Lösch- und Schreibvorgänge sind begrenzt, da die Speicherzellen mit der Zeit verschleißen.
Geschichte und Entwicklung des NAND-Flashs
Die Basis für den heutigen NAND-Flash war der EEPROM (Electrical Erasable an Programmable Read Only Memory). Von diesem wurde die funktionell identische Speicherung der Daten übernommen. Der entscheidende Unterschied ist jedoch die blockweise Bearbeitung der Daten. Sie können also nur in Datenblöcken geschrieben, gelesen und gelöscht werden – zusammengefasst in 64, 128, 256 oder mehr Byte.
Da sich Flash-Speicher nicht unendlich verkleinern lassen, musste eine andere Möglichkeit gefunden werden, um die Speicherdichte weiter zu erhöhen. Die Lösung: Jede Speicherzelle sollte mehr als zwei Zustände (0 und 1) halten können. Daraus entwickelten sich verschiedene NAND-Flash-Typen:
SLC erlaubt zwei speicherbare Zustände und ist ein sehr zuverlässiger Flash-Speicher, der hauptsächlich für SSDs eingesetzt wird. MLC geht einen Schritt weiter und kann vier speicherbare Zustände halten. Dieser NAND-Flash eignet sich vor allem für Systeme, die insgesamt weniger Zugriffe haben – davon mehr Lese- als Schreibvorgänge. Für USB-Sticks und Speicherkarten können auch TLP-Flash-Speicher genutzt werden, die insgesamt acht speicherbare Zustände erlauben. Ein Manko sind die deutlich begrenzten Schreibzyklen und damit eine hohe Fehleranfälligkeit.
In der weiteren Entwicklung sind vor allem drei Schwerpunkte zu erkennen: hohe Geschwindigkeit, lange Haltbarkeit und geringe Zugriffszeit. Vor allem die Haltbarkeit von Multi-Level-Cell-Speichern sollte weiter in den Bereich von Single-Level-Cell-Flashs rücken – und damit eine möglichst geringe Anzahl von Lese- und Schreibfehlern erreichen. Eine Lösung war die vertikale Anordnung der Speicherzellen zu 3D-V-NAND-Chips. Mit mehr als 20 übereinander geschichteten Lagen konnte Siliziumfläche gespart und gleichzeitig die Größe der einzelnen Zellen vergrößert werden. Die positiven Effekte:
- verlängerte Datenhaltung einzelner Zellen
- erhöhte Speicherkapazität
- schnellere Geschwindigkeit
- längere Lebensdauer
Wofür NAND-Flash genutzt wird?
Einer der ersten Anwendungsbereiche für NAND-Flash war der Einsatz als Festplatten-Alternative – in Form von SSDs und SSHDs (Hybrid-Festplatten). Denn das Schreiben und Lesen von Daten erfolgt auf beiden Systemen blockweise. Damit war keine Umstellung anderer Komponenten notwendig. Hochwertige SSDs nutzen die Single-Level-Cell-Technologie, während sehr günstige Modelle auch auf Triple-Level-Cell-Basis arbeiten.
Weitere Einsatzmöglichkeiten für NAND-Flash sind Speicherkarten, USB-Sticks, MP3-Player sowie Handys und Smartphones. Dabei setzen die meisten Hersteller auf den Mittelweg: Multi-Level-Cell-Flash ist hier die erste Wahl.