Flash-Speicher

Flash-Speicher bewahrt Daten auch ohne Stromversorgung. Er wird elektrisch programmiert und gruppenweise gelöscht.

Was es ist

Flash ist ein nichtflüchtiger elektronischer Speicher: Die Information bleibt beim Abschalten der Versorgung erhalten. Er gehört zur Familie elektrisch löschbarer Speicher, der EEPROMs. Herkömmliche EEPROMs erlauben Änderungen kleiner, einzeln ausgewählter Einheiten. Flash spart Fläche pro Zelle, indem größere Zellgruppen gemeinsam gelöscht werden. Lesen, Programmieren und Löschen sind getrennte Vorgänge mit unterschiedlichen Folgen für den Inhalt.

Eine Zelle hält die Information fest. Ein Chip vereint viele Zellen sowie Auswahl- und Leseschaltungen. Bei einer Speicherkarte, einem USB-Stick oder einer SSD kommen Schnittstelle und Steuerschaltungen hinzu. Das Verhalten einer gespeicherten Datei hängt von diesem gesamten System ab.

Wie es funktioniert

Das Floating Gate speichert Ladung ohne leitende Verbindung nach außen.

Bei einer planaren Floating-Gate-Zelle liegt ein vollständig isolierter leitender Bereich zwischen dem Siliziumkanal und dem Steuergate. Beim Programmieren können im Kanal beschleunigte Elektronen in das Floating Gate injiziert werden. Beim Löschen können sie unter einem starken elektrischen Feld die dünne Oxidschicht durch den Tunneleffekt passieren. Die gespeicherte Ladung verändert die Spannung, bei der der Transistor leitend wird. Beim Lesen legt die Schaltung kontrollierte Bedingungen an und unterscheidet die Zustände anhand des Stroms. Mechanisch bewegt sich dabei nichts.

NOR und NAND bezeichnen die Verschaltung der Zellen. Bei NOR bilden sie parallele Zweige an einer Bitleitung. Das eignet sich zum Lesen einzelner Adressen und bei geeigneter Anbindung auch zur direkten Ausführung von Programmcode. NAND-Zellen liegen dagegen in seriellen Ketten. Der seitenweise Zugriff und die dichtere Anordnung eignen sich zur Datenspeicherung. Hinter den Namen stehen somit unterschiedliche Speicheranordnungen mit Auswahl- und Leseschaltungen.

Mehrstufige Zellen unterscheiden zusätzliche Ladungszustände und codieren dadurch mehrere Bits. Programmier- und Löschvorgänge beanspruchen die Isolatoren. Sowohl die Zahl möglicher Zyklen als auch die Datenerhaltung sind begrenzt. Controller können Fehler korrigieren und Schreibzugriffe verteilen. Speicherung ohne Versorgung bedeutet keine unbegrenzte Archivdauer; konkrete Grenzwerte gelten jeweils für bestimmte Bauteile und Einsatzbedingungen.

So geht’s

Die Herstellung nutzt Verfahren des integrierten Schaltkreises: Muster im Silizium, isolierende und leitende Schichten, Verbindungen, Prüfung und Gehäusemontage. Bei einer planaren NMOS-Fertigungsvariante wird der Siliziumkörper mit Bor dotiert, die Source- und Drainbereiche mit Phosphor. Die Industrie arbeitet dabei mit reaktiven Chemikalien und Spezialanlagen. Lassen Sie Chipgehäuse geschlossen und verzichten Sie auf Abbeizen oder Erhitzen. Der folgende Versuch findet ausschließlich auf Papier statt.

Alle Felder des Papiermodells gehören zum selben Löschblock.

Zeichnen Sie einen Block mit zwei Wörtern zu je vier Bits. Beide beginnen mit 1111. In diesem binären Modell darf Programmieren nur eine 1 in eine 0 verwandeln; Löschen setzt den gesamten Block auf 1 zurück. Tragen Sie im ersten Wort 1010, im zweiten 0011 ein.

Ändern Sie nun das erste Wort versuchsweise in 1110. Dazu müsste eine 0 wieder zur 1 werden. Reines Programmieren erlaubt das nicht. Kopieren Sie beide Wörter auf ein Arbeitsblatt, ändern Sie dort das erste, löschen Sie alle acht Felder gemeinsam und schreiben Sie 1110 sowie 0011 zurück. Nur durch die Kopie bleibt das zweite Wort erhalten. Ohne Kopie ginge es beim Löschen verloren.

Geschichte und Entwicklung

Speicher mit festgehaltener Ladung gingen Flash voraus. Kahng und Sze veröffentlichten 1967 ihre Arbeit zum Floating Gate. Intel brachte 1971 Frohmans EPROM heraus: elektrisch programmierbar, mit ultraviolettem Licht löschbar. Spätere EEPROM-Entwicklungen ermöglichten elektrisches Löschen mit feinerer Zellauswahl. 1979 beschrieben Horiuchi und Katto mit FCAT eine weitere Floating-Gate-Zelle, die elektrisch programmiert und gelöscht werden kann.

1980 beschrieben Kupec und Kollegen ein EEPROM mit drei Polysiliziumschichten und einem Transistor pro Bit. Masuokas und Iizukas Patentanmeldung zu einer Zelle mit Löschgate beansprucht japanische Prioritäten vom 20. Dezember 1980. Die US-Anmeldung folgte 1981 und führte 1985 zum Patent US4531203. Harari ordnete Kupecs Zelle später dem Stand der Flash-Technik zu und bezeichnete Masuokas und Iizukas Zelle als Verbesserung.

Masuoka und sein Team bei Toshiba suchten eine kompaktere Zelle. Auf der IEDM 1984 beschrieb er ihre NOR-Flash-Zelle. Forschung und Vorstellung gingen der kommerziellen Großfertigung voraus. Weitere Teams, darunter Ingenieure bei Intel, entwickelten industriell herstellbare NOR-Strukturen.

Toshiba kündigte NAND 1987 an. Laut Masuokas bei der IEEE veröffentlichtem Bericht bestätigten die damaligen Versuche Programmieren, Lesen und Löschen. Ein NAND-Prototyp mit 4 Mbit wurde 1988 entwickelt und 1989 auf der ISSCC vorgestellt. Kioxia, hervorgegangen aus diesem Speichergeschäft, nennt 1991 als Jahr der Markteinführung einer NAND mit 4 Mbit. Speicherkarten und SSDs ergänzten die Zellen später zu vollständigen Systemen. Mehrstufige Zellen und dreidimensionale Strukturen führten die Entwicklung weiter.