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30.11.1990 - 

Neue Speichertechnologie macht zukünftige Anwendungen möglich

Flash-Speicher-Chips erfordern sehr viel Software-Know-how

Mit der Erfindung des EPROMs durch Intel im Jahre 1972 wurde die Domäne der damals vorherrschenden ROMs durchbrochen: Erstmals war es möglich, die Daten durch den Anwender in ein nicht-flüchtiges Halbleitermedium zu laden, ohne über komplizierte Verfahren die Maskenherstellung der Bits bei der Chip-Produktion zu implementieren.

Das Löschen der Bits bei EPROMs konnte ebenfalls

durch den Anwender erfolgen, indem mit UV-Licht die Speicherzellen gelöscht werden. Die höheren Kosten der EPROMs gegenüber Masken-ROMs wurden über die höhere Flexibilität bei Programmänderungen kompensiert.

80 Prozent des gesamten Markts für nicht-flüchtige Speicher (Non-volatile Memories, NVM) haben die EPROMs mit weltweit zirka 500 Millionen Stück erobert. Damit stellen sie nach den DRAMs den zweitgrößten Speichermarkt.

In den letzten zehn Jahren gab es viele weitere Versuche, die technologische Barriere zum "idealen Halbleiterspeicher" (nicht-flüchtige Schreib-Lesespeicher) zu überwinden, über EPROMs, Non-Volatile RAMs etc.

Speicherbits waren zu teuer

Alle diese Versuche sind kommerziell gescheitert, da das wichtigste Element - die Kosten pro Speicherbit - einige Größenordnungen über dem EPROM lagen, und auch die Speicherdichte - von der technologischen Fortentwicklung beurteilt - drei bis fünf Jahre hinterherhinkte.

Ein großer Schritt vorwärts war durch die Entwicklung der Flash-Speichertechnologie möglich, in der niedrige Chip-Kosten wie bei EPROMs (Zellengröße pro Bit gleich groß) mit der Möglichkeit des elektrischen Löschens und Programmierens im System kombiniert wurde. Intel und Toshiba waren die ersten, die 1986 mit derartigen Entwicklungen begonnen haben, Intel hat jedoch konsequent die 1-Transistorzellen-Flash-Technologie forciert und konnte im April 1988 aufgrund dieser neuen Speichertechnologie mit einem 64-Kbit- und einem 256-Kbit-Flash-Speicher in Produktion gehen.

Ein Jahr später, im April 1989, wurde von Intel die Produktion der 512-Kbit- und 1-Mbit-Speicher aufgenommen - sie konnten zu einem Preis verkauft werden, der in der Größenordnung von EPROMs lag.

Im Juni 1990 stellte Intel das 2-Mbit-Flash-EPROM vor. Man sieht, daß trotz der relativ jungen Geschichte der Flash-Memories diese Speichertechnologie den traditionellen EPROMs in puncto Speicherdichte kaum noch unterlegen ist.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß eine hohe Speicherdichte niedrige Kosten pro Bit ergibt, kann man feststellen, daß Flash-Memories sowohl die EPROMs als auch die SRAMs bezüglich Speicherdichte und niedriger Kosten pro Bit deutlich überholt haben. Nur logisch scheint deshalb, daß bei allen großen Halbleiterherstellern Entwicklungen mit Flash-Technologie im Gange sind.

Im Lesebetrieb funktioniert der Flash-Speicher wie RAM-Bausteine oder EPROMs. Zum Abspeichern von Daten oder Programmen wird mittels eines genau vorgeschriebenen Lösch- und Programmierzyklus die Information ins System geladen und nicht - wie bei EPROMs - mit separaten Programmier- und UV-Licht-Löschgeräten.

Das "Im-System"-Löschen und -Programmieren dauert zirka eine Sekunde (für 1-Mbit-Flash).

Im Gegensatz zu SRAMs sind die Flash-Memories "nichtflüchtig", benötigen also keine Batterie, um den Datenerhalt sicherzustellen. Batterien limitieren den Betriebstemperaturbereich und müssen ausgewechselt werden.

Braucht weniger Platz als eine DRAM-Speicherzelle

Es gibt bis zum heutigen Zeitpunkt schon verschiedene Flash-Memory-Anwendungen, die sich im Markteinführungs-Stadium befinden:

1. So finden Flash-Disks als Ersatz für Hard-Disks in PCs Anwendungen: Heute können bis zu 16 MB Flash-Memory auf einem AT-Bus-Board untergebracht werden bei Verwendung von 1-Mbit-Flash-Chips, bei 2Mbit-Chips sind es bis zu 32 MB. Durch die schnellen Zugriffszeiten im Read-Mode von 2 MB/s sowie dem verschleißfreien Betrieb im Vergleich zu mechanisch rotierenden Speichermedien wie Hard-Disks ergeben sich wesentliche Vorteile.

2. Flash-Memory-Karten kommen aber vor allem in mobilen Computern wie Notebook-PCs und Handhelds zum Tragen, bei denen der Einsatz von Winchester- und Floppy-Laufwerken aus Platzgründen sowie wegen des zu hohen Stromverbrauchs unwirtschaftlich ist. Der Stromverbrauch der Memory-Card (1 MB) liegt bei 25 Milliampere im aktiven, also im Schreib- oder Lesebetrieb. Der Standby-Stromverbrauch beträgt sogar nur etwa 0,4 Milliampere.

Für Flash-Speicher spricht ferner, daß sie eine um mehrere Größenordnungen höhere Zuverlässigkeit als mechanische (rotierende) Speichermedien besitzen. Eine Flash-Memory-Card kann auf über 1 Million Stunden MTBF (Meantime between failure) verweisen im Vergleich zu zirka 20 000 Stunden bei einer Festplatte.

Die Firma SCM in Martinsried bei München bietet eine XT/AT-Bus-kompatible Flash-Disk mit zur Zeit 16 MB Intel-Flash-SIMM-Modulen als Hard-Disk-Emulation unter DOS an.

Da die Flash-Speichertechnologie auf einem Transistor pro Speicherzelle (Bit) basiert und somit weniger Platz benötigt als eine DRAM-Speicherzelle (1 Transistor und Kondensator), ist abzusehen, daß sie in bezug auf die Speicherdichte zumindest mit den DRAM-Speicherbausteinen gleichziehen werden.

Langfristig besteht sogar die Möglichkeit, sie in puncto Speicherdichte auf die Plätze zu verweisen. Dazu fehlt allerdings noch die Erfahrung der "Millionen-Stück-pro-Tag-Produktion", wie sie bei DRAMs selbstverständlich ist.

Allerdings sollte man auch einen Nachteil nicht verschweigen: Flash-Speicher-Chips haben einen relativ komplizierten Programmier- und Löschzyklus, so daß die Systemimplementierung zur Zeit noch viel Software-Know-how erfordert.

Die im PCMCIA (PC-Memory Card International Organisation) zusammengeführten führenden PC-Hardware-- und Softwarefirmen sehen aber in der Flash-Speichertechnologie eine wesentliche Stütze zur Verbreitung des Memory-Karten-Standards.

Robert Schneider ist Geschäftsführer der SCM Microsystem GmbH, Martinsried bei München.