Flash-Speicher Grundlagen, Anwendungen heute und in der Zukunft

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1 Ernst-Moritz-Arndt-Gymnasium Bonn Facharbeit im Leistungskurs Informatik Flash-Speicher Grundlagen, Anwendungen heute und in der Zukunft Verfasser: Benno Alexander Ommerborn Kursleiter: Nils van den Boom Schuljahr: 2009/ 2010 Abgabetermin: Note: (Unterschrift des Kursleiters)

2 - 2 - Inhaltsverzeichnis Abbildungverzeichnis... 3 Tabellenverzeichnis... 3 Vorwort Einleitung Grundlagen Historie des Flash-Speichers RAM Flash-Speicherarten Anwendungen heute Funktionsprinzip Lesen, Speichern und Löschen Architekturen Defektmanagement Neue Möglichkeiten Datenzugriff Systemintegration Energieeffizienz Sicherheit Anwendungen in der Zukunft Neuer Umgang mit dem Computer Visionen Literaturverzeichnis Erklärung... 29

3 - 3 - Abbildungverzeichnis Abbildung 1 Marktanteile der Speicherkarten-Formate... 7 Abbildung 2 - Fortschritte der SD-Karte Abbildung 3 SDXC-Karte (Originalgröße) Abbildung 4 Lesen, Flash Zelle keine Ladung (logisch 0) Abbildung 5 - Lesen, Flash Zelle Ladung (logisch 1) Abbildung 6 - Schreiben, in den Zustand Ladung bringen (logisch 1) Abbildung 7 - Dreh- und Biege-Test Tabellenverzeichnis Tabelle 1 - historische Entwicklung der Flash-Speicher Karten... 7 Tabelle 2- SSD Flash vs. Festplatte... 21

4 Vorwort Die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Flash-Speicher bezüglich deren Kapazität und Größe fasziniert mich schon seit einigen Jahren, sodass ich bereits vor dem Verfassen dieser Facharbeit über einiges Wissen verfügte. Nun war jedoch komprimiertes Fachwissen gefragt. Bedanken möchte ich mich daher bei einem weltweit führenden Hersteller von Speicherkarten für seine schnelle und unbürokratische Hilfe. Die Erstellung der Facharbeit basiert auch auf den umfangreichen Informationen, die ich von Panasonic Deutschland, eine Division der Panasonic Marketing Europe GmbH, erhalten habe. Aufgrund meiner Anfrage um Unterstützung erhielt ich sehr schnell entsprechende Informationen, Tabellen und Hinweise auf Quellen, die ich in meine Arbeit einfließen lassen konnte. Die Firma Apple Inc. hingegen als weltgrößter Nachfrager von SSD Lösungen verwies mich nur auf allgemein zugängliche Informationsportale. Ganz besonders hervorheben möchte ich das persönliche Engagement von Frau Silke Moesing, General Manager Marketing Creative Network & Media, die mir bei meinen Anrufen und Anfragen immer gerne die neuesten Informationen vermittelte und durch Dokumente belegte. Sogar Anschauungsobjekte für eine mögliche Präsentation zum Thema werde ich erhalten. Durch diese persönliche Betreuung konnte ich in meiner Facharbeit den allerneuesten Entwicklungsstand auf diesem Gebiet dokumentieren.

5 1 Einleitung Ziel der Arbeit ist die Aufstellung einer durch die Facharbeit nachvollziehbaren, fundierten Vision, wie sich die Welt in wenigen Jahren aufgrund der Innovation - neue SDXC-Speicherkarte und die SDXC-Spezifikation - im Umgang mit Computern verändern kann. Die Facharbeit behandelt die wesentlichen Flash-Speicherkarten der letzen 15 Jahre. Abgrenzung: Das Flash-basierte Solid State Drive (SSD) wird tiefer behandelt, obwohl es nicht einer Flash-Speicherkarte im Vergleich zu den anderen dargestellten Flash- Speichern entspricht. Die neue Spezifikation der SDXC-Karten ist mit den Leistungsmerkmalen einer SSD vergleichbar. Die SSD ist wiederum mit konventionellen Festplatten vergleichbar. Durch die SSD Erläuterungen erhält der Leser einen Blick aus der Praxis auf die theoretischen Leistungsdaten der SDXC-Spezifikation anhand der realen Leistungsdaten einer SSD. In Kapitel Grundlagen erfolgt die notwendige Definition eines Flash-Speichers. Im Verlauf werden die Historie der maßgeblichen Flash-Speicher und des Random Access Memory dargestellt. In Kapitel Anwendungen heute werden das Funktionsprinzip und neue Möglichkeiten erläutert. Das Funktionsprinzip beinhaltet die Abschnitte Lesen, Speichern und Löschen einschließlich Tunneleffekt, die Architektur und Defektmanagement. Der Abschnitt Neue Möglichkeiten geht auf die Themen Datenzugriff, Systemintegration, Energieeffizienz und Sicherheit ein. Anwendungen in der Zukunft bildet das letzte Kapitel mit den zwei Abschnitten Neuer Umgang mit dem Computer und Visionen. Es wurden die Methoden Reflexion von Fakten anhand von Quellen und sachliche Darlegung von Funktionsprinzipien eingesetzt. 2 Grundlagen Ein Flash-Speicher ist ein nichtflüchtiger Computer-Speicher, der in großen Blöcken elektrisch gelöscht und neu programmiert werden kann. Ein Flash-Speicher ist also eine spezielle Art des EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). 1 Der Flash-Speicher wird überall dort eingesetzt, wo Informationen auf kleinstem 1 (Flash memory, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010)

6 - 6 - Raum untergebracht werden müssen und ohne eine kontinuierliche Energieversorgung, also nichtflüchtig, gespeichert werden sollen. Das bekannteste Beispiel sind die SD-Speicherkarten, welche auf diese Technologie zurückgreifen. 2 Vor allem in mobilen Geräten wie Digitalkamera, Camcorder, MP3-Player, Handy, PDA und Navigationsgerät werden Flash-Speicher verwendet. Aber auch Computer, Drucker, TV-Geräte und DVD- Player bieten heute Schnittstellen für Flash-Speicher an. Vor allem kleine Betriebssysteme, BIOS und die Firmware für Geräte werden auf Flash-Speichern gespeichert. 2.1 Historie des Flash-Speichers Der Floating-Gate-Transistor stellt bei den Flash-Speichern das elementare Speicherelement dar. Er wurde 1967 von Dr. Dawon Kahng und Dr. Simon Min Sze in den Bell Laboratories entwickelt. 3 Dr. Fujio Masuoka forschte in den 90-iger Jahren als Mitarbeiter der Firma Toshiba auf dem Gebiet der nichtflüchtigen Speicher. 4 Unter dem US-Patent wurden die Grundlagen des Flash-Speichers am veröffentlicht und Dr. Fujio Masuoka wird als Erfinder aufgeführt. 5 Heute ist Dr. Fujio Masuoka Chief Technology Officer (CTO) der Firma Unisantis Electronics (Japan) Ltd. und emeritierter Professor des Research Institute of Electrical Communication der Tohoku Universität in Japan. 6 Einen Mitarbeiter von Dr. Fujio Masuoka erinnerte der in Blöcken stattfindende Löschvorgang des Speichers an einen Kamerablitz. Der Anekdote nach kam es so zu dem Namen Flash. 7 Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die historische Entwicklung der heute maßgeblichen Flash-Speicher Karten (vgl. Tabelle 1 und Abbildung 1): CompactFlash 8, SSD 9 (Solid State Drive), MMC 10 (Multimedia Card) und SD 11 (Secure Digital) 2 (Koppe, Tristan, Verbesserung der elektronischen Auslese von Photoelektronenvervielfachern für den Bachelorpraktikumsversuch E4 (Kamiokanne), 2009) 3 (Floating-Gate-Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 4 (Fujio Masuoka, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010) 5 (Europäisches Patentamt, US-Patent , 2010) 6 (Unisantis-Electronics(Japan) Ltd., 2010) 7 (Oklobdzija, Vojin G.; Digital design and fabrication, 2008) 8 (CompactFlash, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 9 (Solid-state drive, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010) 10 (Multimedia Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 11 (SD Memory Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

7 - 7 - CompactFlash SSD MMC SD Kartenbezeichnung Typ I/ flash basiert Typ II Markteinführung Größe in mm 43 x 36 x 3,3/ 43 x 36 x , 1.8-, 2.5- und 3.5-Zoll 24,0 32,0 1, Speicherkapazität Entwickler bis 128 GB 1,5 TB 8 GB SD: 8 MB - 4 GB SDHC: 4 GB - 32 GB SDXC: 32 GB- 2 TB SanDisk MSystems, 2006 Siemens -Tochter Panasonic, Übernahme Ingentix, SanDisk SanDisk, und durch SanDisk Toshiba Tabelle 1 - historische Entwicklung der Flash-Speicher Karten Abbildung 1 Marktanteile der Speicherkarten-Formate RAM Alles angefangen hat es mit dem RAM (Random-Access Memory). Früher wurde alles auf Lochkarten oder magnetischen Trommelspeichern gespeichert. Danach kam der zwischen 1949 bis 1952 entwickelte Vorgänger des RAMs, der magnetische Kernspeicher zum Einsatz. Dieser fand Verwendung in den meisten Computern bis zur Entwick- 12 (Panasonic Marketing Europe GmbH, Moesing, Silke, 2009)

8 - 8 - lung des statischen und des dynamischen RAMs. Eine große Neuerung kam mit den Halbleiterspeichern, die einen wahlfreien oder direkten Zugriff erlaubten. Wahlfrei bedeutet hierbei, dass jede Speicherzelle direkt angesprochen werden kann. Um im heutigen Computer schnellen Zugriff auf aktive Programme und Anwendungen zu gewährleisten, werden diese in den RAM bzw. Hauptspeicher geladen bzw. gespeichert. Der Nachteil beim RAM ist, dass bei fehlender Betriebsspannung alle Daten verloren gehen. Außerdem gibt es noch den ROM (Read Only Memory), der nur gelesen werden kann. Dieser wird vor allem für die unveränderliche Speicherung des BIOS oder der Firmware von Geräten verwendet. Beim RAM kann jede Zelle einzeln beschrieben werden. Das unterscheidet RAM Halbleiter wesentlich vom blockweise beschreibaren Flash-Speicher Flash-Speicherarten CompactFlash, MultiMediaCard und Memory Stick Der erste CompactFlash (CF) wurde 1994 von SanDisk vorgestellt, der sich bis heute mit hohen Datentransferraten auszeichnen wurde als weiteres Flash-Speicherkartenformat MultiMediaCard (MMC) von der Siemens-Tochter Ingentix und SanDisk vorgestellt. 15 Als Konkurrent dazu kam 1998 der erste Memory Stick von Sony auf den Markt. 16 SD Memory Card Die vollständige Bezeichnung dieser Flash-basierten Speicherkarte lautet Secure Digital Memory Card, im Folgenden SD Memory Card oder kurz SD genannt. Im August 1999 beschlossen Panasonic (Matsushita), SanDisk und Toshiba, gemeinsam Standards für die Entwicklung und Vermarktung von SD-Karten zu definieren. 17 Daraus entstand im Januar 2000 die SD Card Association zur Definition von Industriestandards und zur Förderung von SD-basierten Produkten - heute mit mehr als 1000 Mitgliedern. 18 Die erste Definition der Standards wird mit SD 1.0 bezeichnet, die folgenden mit SD 2.0 (vgl. 13 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 14 (CompactFlash, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 15 (Multimedia Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 16 (Memory Stick, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 17 (SD Memory Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 18 (SD Card Association, 2010)

9 - 9 - SDHC) und SD 3.0 (vgl. SDXC) wurde auf der Consumer Electronics Show (CES) die SD-Karte zum ersten Mal vorgestellt. Damit wurde die SD-Karte die Konkurrenz für Sony s Memory Stick. 19 Der Nutzen der SD-Karte liegt in der Portabilität, Ausbaufähigkeit und Interoperabilität im Einsatz bei Geräten wie Digitalkamera, Camcorder, MP3-Player, Handy, PDA und Navigationsgerät, TV-Gerät, Computer, DVD-Player und Drucker. 20 Durch die universelle Nutzung wurde die SD-Karte sehr schnell beliebt. Damit ist die SD der Nachfolger bzw. eine Weiterentwicklung der MMC. Die Besonderheit der SD-Karte ist ein Digital Rights Management (DRM), das in einem geschützten Speicherbereich der Karte dafür sorgt, dass Mediendateien, wie Filme und Musik nicht unrechtmäßig abgespielt werden können. Ein Schreibschutz ist über einen Schieberegler realisiert. Dieser verhindert, dass auf der Karte Daten gelöscht, verändert oder hinzugefügt werden können. Der Schreibschutz wird vom Kartenlesegerät erkannt und ist kein Schutzmechanismus auf der Karte selbst. Die Karte besteht aus einem integrierten Controller und besaß zu Beginn eine Speicherkapazität von nur 8 Megabyte. Diese stieg in kürzester Zeit exponentiell an und hatte die Grenze von 2 Gigabyte schnell überschritten. Als Dateisystem wird hauptsächlich FAT16 verwendet. 21 Prinzipiell sind SD Karten nicht auf das FAT-Dateisystem beschränkt. Es ist durchaus kein Problem, sie mit UFS, ZFS, ext3, NTFS oder ähnlichem zu verwenden, was diese Medien wegen ihrer Größe als Ersatz für USB-Sticks interessant macht. 22 SDHC Eine Erweiterung der SD-Karte ist die SDHC-Karte (SD High Capacity, SD 2.0), die die maximale Kapazität auf 32 Gigabyte anhob. Außerdem wurden die Leistungsklassen zur Mindestübertragungsrate definiert. Bei Karten der Klasse 2 sind es 2 MByte/s, bei Klasse 4 sind es 4 MByte/s und bei Klasse 6 mindestens 6 MByte/s. Die erste 4 GB SDHC Karte der Klasse 4 kam 2006 auf den Markt und zwei Jahre später schon die erste Klasse 6 Karte mit 32 Gigabyte (vgl. Abbildung 2). 19 (Secure Digital Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010) 20 (SD Association Celebrates 10 Years of Innovation, 2010) 21 (SD Memory Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 22 (Secure Digital Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010)

10 Abbildung 2 - Fortschritte der SD-Karte 23 Durch die höheren Datenraten können erste AVCHD-Kameras mit SDHC Karten als Speichermedium realisiert werden. Vor allem für mehr Serienbildaufnahmen von Digitalkameras mit hoher Auflösung sind hohe Datenraten existenziell wichtig. Außerdem wurde die Übertragung auf den Computer um einiges beschleunigt. SDHC-Karten verwenden hauptsächlich das neuere Dateisystem FAT SDXC Die SDXC Spezifikation (SD extended Capacity, SD 3.0) wurde 2009 auf der Consumer Electronics Show (CES) von der SD Association als Nachfolger von SDHC vorgestellt. Die SDXC-Karte soll eine Speicherkapazität von 2 Terabyte (2.048 GB) und Übertragungsgeschwindigkeiten von 104MB/s bis hin zu 300 MB/s erreichen. 25 Als Dateisystem wird das neue von Microsoft entwickelte exfat eingesetzt. ExFAT ist für den Flash-Speicher optimiert und wird von Windows (XP, Vista und 7) unterstützt. Für die Abwärtskompatibilität kann natürlich auch ein anderes Dateisystem gewählt werden. Zwar kann eine Speicherkarte mit den meisten Dateisystemen formatiert werden, die Verteilungsalgo- 23 (Panasonic Marketing Europe GmbH, Moesing, Silke, 2009) 24 (SD Memory Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 25 (SD Association Announces SDXC, 2010)

11 rithmen (vgl. Abschnitt Defektmanagement) einiger Controller sind allerdings auf bestimmte Dateisysteme optimiert. 26 Durch das gestiegene Datenaufkommen, durch größere Datenmengen und höhere Datenraten, reichen die Transferraten von USB 2.0 nicht mehr. Für die Datenübertragung wird das neue USB 3.0 empfohlen. 27 Abbildung 3 SDXC-Karte (Originalgröße) 28 Die erste SDX- Speicherkarte wird von Panasonic für Februar 2010 angekündigt. Durch die Kapazitäten von 48 GB und 64 GB sollen Videoaufnahmen im AVCHD-Format keine Grenzen mehr gesetzt werden. Vor allem durch die Geschwindigkeitsklasse 10, die eine Datentransferrate von bis zu 22 MB/s ermöglicht, werden zum Beispiel bei der Aufnahme von Fotoserien neue Möglichkeiten eröffnet. Auch bei Digitalfotos im professionellen Bereich, bei denen das nicht komprimierte und somit speicherintensive RAW- Format sehr oft verwendet wird, werden die neuen SDXC-Karten die erste Wahl sein. 29 Aufgrund der Spezifikation SD 3.0 werden die SDXC Karten mit der Speichkapazität von bis zu 2 Terabyte den Umgang mit Daten und deren Nutzung auf entsprechenden Endgeräten völlig verändern (vgl. Kapitel 4 - Anwendungen in der Zukunft). SSD Ein Solid State Drive (SSD) ist ein Speichermedium, das wie eine konventionelle magnetische Festplatte (Hard Disk Drive - HDD) eingebaut und angesprochen werden kann. Ein SSD besteht nur aus Halbleiterspeicherbausteinen und enthält keine beweglichen Teile. Vorteile eines SSD sind mechanische Robustheit, kurze Zugriffszeiten, niedriger Energieverbrauch und das Fehlen jeglicher Geräuschentwicklung. Der Hauptnachteil ist derzeit ein hoher Preis gegenüber HDD mit gleicher Kapazität. Außerdem sind heute 26 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 27 (SD Memory Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 28 (Panasonic Marketing Europe GmbH, Moesing, Silke, 2010) 29 (Panasonic Marketing Europe GmbH, Moesing, Silke, 2010)

12 SSD nicht mit so hohen Kapazitäten wie Festplatten verfügbar. Es werden bereits SSDs mit einer Kapazität von bis zu einem Terabyte angeboten wurde das erste RAM-basierte SSD von StorageTek vorgestellt. 31 MSystems führte 1995 die erste Flash-basierte SSD ein. 32 Die ersten SSDs bestanden aus herkömmlichen Speicherbausteinen, wie sie auch als Arbeitsspeicher im PC dienen. Eine Pufferbatterie sorgte dafür, dass der Inhalt der SSD auch beim Ausschalten des Computers erhalten blieb. SSDs wurden ursprünglich für Computer entwickelt, für die herkömmliche Festplatten zu langsam oder zu empfindlich waren, beispielsweise für den Einsatz in Hochleistungs-Servern und beim Militär. Denn dort müssen Server mit großen Datenbanken viele tausend Abfragen gleichzeitig bearbeiten. 33 Bei einer SSD werden zwei Typen unterschieden: SSD mit SDRAMs Speicherchips hier nicht weiter betrachtet - und SSD mit Flash-basierten Speichern. Darüber hinaus werden auch Hybridlösungen angeboten. Die Hybridfestplatte (Hybrid Hard Drive, HHD) kombiniert eine herkömmliche Festplatte mit einem Flash-Speicher, sodass ebenfalls höhere Geschwindigkeiten erreicht werden können. Die Hersteller versichern, dass SSDs die Daten mindestens 10 Jahre lang sichern. Vor allem in Anwendungsgebieten, in denen Schmutz, Erschütterungen sowie Druckschwankungen, Temperatur und Magnetfelder (Raumfahrt) den Einsatz mechanischer Platten verhindern spielen sie eine wichtige Rolle. 34 In mobilen Geräten wie den Netbooks werden immer öfter SSDs eingesetzt. Das derzeit bekannteste Beispiel für die Verwendung der SSD ist das neustes Produkt von Apple, das ipad. Ein durch Multi-Touch zu bedienender Tablet PC, der als einziges Speichermedium eine SSD verwendet. Durch die vielen Appel-Produkte ist Apple zu einer der wichtigsten Großabnehmer von SSDs geworden. 35 Durch die fehlenden beweglichen Teile wird keine Kühlung benötigt und es kommt zu keiner Geräuschentwicklung. Eine SSD ist daher in hohem Masse schockresistent. In der Entwicklung befinden sich bereits MLC-X3 und MLC-X4-Zellen, die statt 2 Bit pro Zelle 3 oder 4 Bit speichern können (vgl. zu SLC und MLC Absatz Architekturen). 30 (Solid-state drive, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010) 31 (Akyildiz, Özgür, Seminar Datenspeichermedien, RAM-SSD Speicher, 2008) 32 (Solid State Drive, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 33 (Schulz, Sven, Alles über SSD, 2009) 34 (Solid State Drive, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 35 (Apple Inc., ipad, 2010)

13 Auf diese Weise lässt sich der Speicherplatz einer SSD bei gleicher Baugröße erhöhen. Als Folge werden die Preise von SSDs deutlich sinken. 36 Aufgrund der höheren Transferraten der SSD gegenüber den Festplatten und durch den Preisverfall stehen beide Speichermedien in direkter Konkurrenz. Die Festplatten in Computersystemen werden zuerst ergänzt, später vielleicht sogar ersetzt. 3 Anwendungen heute 3.1 Funktionsprinzip Lesen, Speichern und Löschen Der Flash-Speicher ist eine Weiterentwicklung des EEPROM und nutzt den Fowler- Nordheim-Tunneleffekt, einen Effekt aus der Quantenphysik in Halbleitern. Im Gegensatz zu den EEPROMs können bei Flash-EEPROMs je nach Bauform einzelne Speicheradressen direkt gelesen oder beschrieben werden, jedoch lassen sich nur ganze Speicherblöcke auf einmal löschen. Dadurch werden viele Verdrahtungen eingespart und eine höhere Speicherdichte wird ermöglicht. 37 Der Aufbau einer Flash-Zelle ist vergleichbar mit dem Aufbau eines MOSFET-Transistors von Dr. Dawon Kahng entwickelt, US-Patent Die Flash-Zellen besitzen jedoch unterhalb des Control Gate eine eingebaute Ladungsfalle, das Floating Gate. Ähnlich dem Kondensator einer RAM-Speicherzelle speichert das Floating Gate eine elektrische Ladung. Das Floating Gate ist von allen Seiten mit einer isolierenden Oxidschicht umgeben, die das Abfließen der Ladung verhindert. 39 Control Gate und Bulk bilden zusammen einen Kondensator. Der Anschluss Bulk ist meist mit Massepotential verbunden (Schulz, Sven, Alles über SSD, 2009) 37 (Koppe, Tristan, Verbesserung der elektronischen Auslese von Photoelektronenvervielfachern für den Bachelorpraktikumsversuch E4 (Kamiokanne), 2009) 38 (Europäisches Patentamt, US-Patent , 2010) 39 (Benz, Benjamin; Feddern, Boi; Festplatte ade Wie Flash-Speicher allmählich den PC erobert., 2007) 40 (Floating-Gate-Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

14 Abbildung 4 Lesen, Flash Zelle keine Ladung (logisch 0) 41 Abbildung 5 - Lesen, Flash Zelle Ladung (logisch 1) 42 Zum besseren Verständnis wird im Folgenden angenommen: logisch 1 = Ladung, logisch 0 = keine Ladung Ob der geladene oder ungeladene Floating-Gate-Zustand als jeweils logisch 0 oder logisch 1 der Speicherzelle angesehen wird, ist implementierungsabhängig. 43 Durch die im Floating Gate eingebrachte Ladung befindet sich die Drain-Source-Strecke des Transistors in einem niederohmigen Zustand. Bei fehlender Ladung im Floating Gate ist die Drain-Source-Strecke Strecke hingegen hochohmig. Mit diesen beiden Zuständen 41 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 42 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 43 (Flash-Speicher, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

15 kann im einfachsten Fall die Informationsmenge von einem Bit permanent gespeichert werden. 44 Beim Lesen einer einzelnen Flash-Zelle mit geringer Spannung, üblicherweise 3,3 Volt, bewirkt die Ladung auf dem Floating Gate durch ihr elektrisches Feld einen leitenden Kanal zwischen Source und Drain (logisch 1). (vgl. Abbildung 5) Entweder es fließt ein Strom (logisch 1) oder eben nicht (logisch 0). Abbildung 6 - Schreiben, in den Zustand Ladung bringen (logisch 1) 45 Beim Schreiben erhält das Floating Gate eine Ladung. Dabei bedient man sich dem Fowler-Nordheim-Tunneleffekt, ekt, ein quantenmechanischer Effekt. 46 Damit einige La- dungsträger vom Source durch die Oxidschicht auf das Floating Gate tunneln können, muss zwischen Control- und Source- Gate eine recht hohe positive Spannung von 10 bis 13 Volt angelegt werden. Beim Schreiben kann man dann jede einzelne Zelle in den Zustand Ladung (logisch 1) versetzen, aber nicht wieder einzeln zurück. Die Ladung bleibt durch die vollständige Isolation im Floating Gate über viele Jahre erhalten. Beim Löschen, wird eine hohe negative Spannung angelegt, die die Ladungsträger wieder aus dem Floating Gate heraus drängt kein leitender Kanal zwischen Drain und Source (logisch 0). Gelöscht wird großflächig in ganzen Blöcken, das Schreiben geschieht dagegen selektiv pro Zelle. Da sich Flash-Speicher nur in Blöcken löschen lassen, sind Schreiboperationen, die vorhandene Daten verändern, aufwendiger als Lesezugriffe. Bei jedem Lösch- 44 (Floating-Gate-Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 45 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 46 (Fowler, Ralph Howard; Nordheim, Lothar Wolfgang: Electron Emission in Intense Electric Fields, London 1928)

16 und Schreibvorgang, also beim Tunneln, wird die Zelle leicht beschädigt (Degeneration). 47 Bei Schreiboperationen, die vorhandene Daten verändern, wird zuerst der ganze Block in einen Puffer gelesen, um dann die Daten im Puffer zu verändern und komplett in einen freien Block zu schreiben. Ausnahme: Wenn leere, also bereits gelöschte, Zellen befüllt werden, kann der Lösch- Vorgang entfallen. Diese Eigenart erklärt die teils deutlichen Unterschiede zwischen Schreib- und Leserate bei Flash-Speichern. 48 Tunneleffekt Der Tunneleffekt ist ein Effekt aus der Quantenphysik und ist mit der klassischen Physik nicht zu erklären. In der klassischen Physik wird der Vorgang einer Kugel, die einen Berg überrollen soll, mit einem Energiepotenzial, das dafür aufgebracht werden muss, ausgedrückt. Wenn das Energiepotenzial nicht ausreicht, kann die Kugel den Berg nicht überwinden. Sie rollt den Berg wieder herunter. In der Quantenphysik muss vergleichbar ein atomares Teilchen nicht den Berg überwinden, um die andere Seite zu erreichen. Denn das atomare Teilchen kann auch dann die Barriere überwinden, wenn seine Energie geringer als die Höhe der Barriere ist. Das atomare Teilchen wechselt/ springt auf die andere Seite der Barriere. Dabei spricht man vom Tunneln. Durch den Tunneleffekt kann ein Elektron sogar eine Wand durchdringen. Was für uns im realen Leben unvorstellbar ist, ist für die Funktionsweise des Flash-Speichers existentiell wichtig. Denn durch den speziellen Fowler-Nordheim- Tunneleffekt können Elektronen den eigentlichen Nichtleiter passieren und auf das Floating-Gate gebracht werden. Der Tunneleffekt ist mit einer Wahrscheinlichkeit verbunden, die sehr gering aber endlich ist. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen wird eine hohe positive bzw. negative (10-18 V) Spannung angelegt (Benz, Benjamin; Feddern, Boi; Festplatte ade Wie Flash-Speicher allmählich den PC erobert., 2007) 48 (Benz, Benjamin; Feddern, Boi; Festplatte ade Wie Flash-Speicher allmählich den PC erobert., 2007) 49 (Tunneleffekt, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

17 3.1.2 Architekturen Der grundsätzliche Aufbau einer Flash-Speicherkarte und einer SSD besteht aus Flash- Speichern und einem Controllership. Aufgrund der Architektur werden zwei Arten von Flash-Speichern unterschieden: NOR- und NAND-Schaltungen. Bei NOR-Flash sind die einzelnen Zellen parallel (OR) in einem Gitter aus Word- und Bit-Lines angeordnet und können direkt gelesen werden. Sie eignen sich daher für Programmspeicher von Mikroprozessoren. NOR-Flash ist jedoch relativ teuer und hat eine geringe Speicherdichte. NAND-Flash kommt mit deutlich weniger Chipfläche aus, da viele Transistoren in Reihe (AND) geschaltet sind. Soll eine einzelne Zelle ausgelesen werden, muss man vorher alle anderen Zellen in der Kette auf leitend schalten. Dazu wird an die nicht gefragten Transistoren eine Offset-Spannung angelegt, um sie durchzuschalten. Ein direktes Auslesen des NAND-Flashs ist also nicht möglich. NAND-Flash wird daher blockweise über interne Register, die die Adressierungsdetails realisieren, angesprochen. Alle aktuellen Flash-Speicherkarten setzen aus Kosten- und Kapazitätsgründen auf NAND-Flash. Nur einige der ersten CompactFlash-Karten (vgl Flash- Speicherarten) basierten auf dem teuren NOR-Speicher. Moderne NAND-Flash-Zellen, so genannte Multi Level Cells (MLC), speichern nicht nur ein Bit (Single Level Cell (SLC)), sondern gleich zwei oder vier Bit pro Zelle. Die Speicherdichte steigt somit deutlich gegenüber NOR-FLASH. Für MLC gibt es verschiedene Techniken. Entweder werden durch unterschiedliche Stromstärken verschiedene Zustände dargestellt oder es werden mehrere Floating Gates platzsparend innerhalb einer Zelle platziert. Deshalb unterscheiden sich beim Lesen und Schreiben MLC-Flash-Speicher vom SLC-Flash- Speicher. 50 Eine SD-Karte benötigt bei einer Speicherkapazität von 4 GB über 35 Milliarden Floating-Gate-Transistoren Defektmanagement Die Lebensdauer von konventionellen Festplatten wird hauptsächlich durch die Abnutzung der Mechanik beeinflusst. Auch Flash-Speicher verschleißen mit der Zeit, obwohl hier keine beweglichen Teile vorhanden sind. Beim Flash-Speicher wirkt der Tunnelef- 50 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 51 (Floating-Gate-Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

18 fekt begrenzend auf die Lebensdauer. Durch das Tunneln der Elektronen durch die nichtleitende Oxidschicht wird diese beschädigt (Degeneration). Im schlimmsten Fall entsteht ein Loch und die elektrische Ladung fließt vom Flash-Speicher ab. Die Informationen, die auf dem Flash-Speicher gespeichert sind, gehen verloren. Deshalb gibt es theoretisch eine maximale Anzahl an Löschzyklen für jede einzelne Zelle. Hersteller geben heute maximal bis 5 Millionen Löschzyklen an. Danach kann die Zelle nur noch gelesen werden. Dennoch ist die Anzahl der Löschzyklen nicht genau zu ermitteln. 52 Lesevorgänge sind hingegen unbegrenzt möglich, da hierbei kein Tunneleffekt auftritt. Die Blockgröße bei NAND-Flash ist deutlich kleiner als bei NOR, sodass der einzelne Block seltener gelöscht werden muss. 53 In der Praxis traten selbst nach 16 Millionen Mal Beschreiben eines USB-Sticks keinerlei Fehler auf. Dies funktioniert vor allem durch das ausgeklügelte Defektmanagement, das von jedem Unternehmen streng geheim gehalten wird. 54 Für das Endgerät ist das Defektmanagement weder sichtbar noch beeinflussbar. In der Regel verfügen Speicherkarten über einen Controller, der sich nicht nur um die Ansteuerung des Speichers kümmert, sondern auch das Defektmanagement und die gleichmäßige Verteilung der Daten über die Blöcke übernimmt. Das Defektmanagement umfasst Wear-Levelling Algorithmen, Fehlerkorrektur Management und Bad Block Management. Die Strategie des Wear-Levelling-Algorithmen (Verschleiß Nivellierung) ist es, die Schreib- und Löschaktionen möglichst gleichmäßig über den gesamten Speicherbereich eines Flash-Speichers zu verteilen. 55 Der Controller des Flash-Speichers verteilt Schreibvorgänge auf alle Speicherzellen so, dass jede möglichst gleich häufig beschrieben wird. Sollen zum Beispiel die ersten drei Speicherblöcke beschrieben werden, kann es passieren, dass die Steuerelektronik stattdessen die Blöcke 1, 4 und 6 auswählt. Der Controller spricht immer ganze Blöcke an. Beim Schreiben/ Löschen werden die Blöcke zu einem Erasable Block zusammengefasst. Dieser enthält 32 oder 64 Blöcke. Bei jeder Änderung in einem seiner Blöcke wird dieser zunächst nicht gelöscht, son- 52 (Solid State Drive, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 53 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 54 (Benz, Benjamin; Feddern, Boi; Festplatte ade Wie Flash-Speicher allmählich den PC erobert., 2007) 55 (Flash-Speicher, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

19 dern als nicht-aktuell markiert. Geschrieben wird in den nächsten freien Block desselben Erasable Block. Erst, wenn alle seine Blöcke nicht-aktuell sind, wird er einmal komplett gelöscht. Bei Controllern kommen verschiedene Wear-Levelling-Algorithmen zum Einsatz. Der Dynamic Wear Levelling Algorithmus wählt den Erasable Block zum Beschreiben aus, welcher noch nicht belegte ist und am wenigsten abgenutzt ist. Dies ist vergleichsweise einfach im Controller umzusetzen. Es hat den Nachteil, dass bei wenig freiem Speicherplatz der Flash-Speicher schneller abgenutzt wird. Die möglichen Schreibzyklen steigen um den Faktor 25 gegenüber fehlendem Wear-Levelling. Der Static Wear Levelling Algorithmus wählt den Erasable Block zum Beschreiben aus, welcher am wenigsten abgenutzt ist. Ist dieser schon belegt, werden dessen Daten auf einen anderen umverlagert und dann die neuen Daten geschrieben. Dies erfordert einen etwas komplexeren Controller, führt aber zu sehr gleichmäßiger Abnutzung. Die möglichen Schreibzyklen steigen um den Faktor 100 gegenüber fehlendem Wear- Levelling. 56 Der Controller ist auch für das Fehlerkorrektur Management verantwortlich. Jeder Block enthält dabei auch Prüfsummen, mit denen sich Bitfehler rekonstruieren lassen. Erkennt der Controller einen solchen Fehler, rekonstruiert er die verlorenen Bits aus den Prüfsummen und transferiert die Daten in einen intakten Reserveblock. Der defekte Block wird ab da an nicht mehr genutzt. 57 Damit der Flash-Speicher nicht unbrauchbar wird, wenn eine Zelle zerstört ist, ist ein Bad Block Management entwickelt worden. Bei einem Ausfall einer einzelnen Zelle wird diese durch die rund zwei bis vier Prozent Reserveblöcke ersetzt, wie auch bei konventionellen Festplatten. Solange der Reservebereich nicht erschöpft ist, kann der Speicher ohne Einschränkungen weiter benutzt werden. Wenn keine Reserveblöcke mehr verfügbar sind, geht der Flash-Speicher sicherheitshalber in einen Nur-Lese- Modus über. Diese Fehlererkennung wird in einem geschützten Bereich des Speichers protokolliert. Durch das Defektmanagement nähern sich die Flash-Speicher der Lebensdauer von konventionellen Festplatten an bzw. übertreffen diese sogar (Solid State Drive, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 57 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 58 (Solid State Drive, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

20 3.2 Neue Möglichkeiten Datenzugriff Flash-Speicher besitzt keine beweglichen Teile, wodurch eine sehr kurze Zugriffszeit ermöglicht wird. Vor allem SSDs werden immer mehr im Desktop- und Notebook- Bereich verwendet. Denn diese sind schneller als konventionelle Festplatten und besitzen eine hohe Datendichte von 139 GB/cm³. Durch den Tempogewinn, wird der Start und das Herunterfahren des Betriebssystems um rund 20 Prozent beschleunigt. Außerdem ist das Starten von Programmen und Anwendungen, wo immer Zugriffszeiten eine Rolle spielen, zwei- bis dreimal schneller als bei konventionellen Festplatten. Dadurch steht der Flash-Speicher als nichtflüchtiges Speichermedium in direkter Konkurrenz mit Festplatten und optischen Speichern wie CDs, DVDs, Blu-rays. Eine langsame Kamera oder ein USB-1.1-Kartenleser wirken auf Flash-Speicher wie eine Datenbremse. Um die Transferrate der Flash-Speicher optimal zu nutzen, muss die Schnittstelle berücksichtigt werden. Daher werden heute USB 3.0, esata und PCIe empfohlen. 59 Der Datenzugriff bei SSD erfolgt in einer zehntel Millisekunde. Bei einer herkömmlichen Festplatte muss dagegen erst die Mechanik den Schreib-/Lesekopf über die Stelle schwenken, an der Daten gelesen oder geschrieben werden sollen. Standardfestplatten brauchen daher etwa 10 bis 15 Millisekunden. Sie sind beim Datenzugriff also rund hundert Mal langsamer als eine SSD. Die SSDs sind den Festplatten beim gleichzeitigen Lesen und Schreiben (Multitasking) und bei reinen Lesevorgängen überlegen. Moderne SSDs erreichen deutlich höhere Datenraten als Festplatten. Aktuelle Profi-Modelle für den Einsatz in Servern können mehr als 1 Gigabyte pro Sekunde übertragen. Der Trick: die Steuerelektronik verwendet alle Speicherbausteine meist acht oder zehn gleichzeitig. Das beschleunigt die Datenübertragung. Die neusten SSDs sind mit einem 10-Kanal-Controller ausgestattet. Bei Festplatten kann dagegen immer nur ein Schreib-/Lesekopf arbeiten. Zudem hängt das Tempo von der Drehzahl und dem Durchmesser der Magnetscheiben ab: Je höher die Drehzahl und je größer der Durchmesser, desto schneller ist die Platte. Daher sind 2,5- Zoll-Festplatten meist spürbar langsamer als 3,5-Zoll-Modelle. Eine schnelle SSD 59 (Benz, Benjamin, Erinnerungskarten Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006)

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