Von Ken Lee
Nennen Sie schnell ein Gerät, das im Jahr 2000 noch nicht einmal existierte, aber seitdem unsere Kultur und die Art und Weise, wie wir heute leben, verändert hat. 99 % von Ihnen haben wahrscheinlich mit MP3-Player, Tablet-Computer, GPS, E-Reader oder Smartphone geantwortet. Was haben all diese Geräte gemeinsam? Zum einen sind sie alle super portabel, und diese Eigenschaft ist dem unbändigen Erfolg von Flash-Speichern zu verdanken.
Die Entwicklung und Reifung von NAND-Flash als erschwingliche, nichtflüchtige Solid-State-Datenspeicherlösung hat dazu beigetragen, eine Ära der mobilen Technologie einzuläuten. Es hat uns ermöglicht, Geräte zu erfinden, die mit rotierenden Plattenlaufwerken einfach nicht funktioniert hätten.
Nach einem Jahrzehnt der Revolutionierung der Technologiebranche stößt Flash jedoch an seine Grenzen für die weitere Entwicklung. Um die maximale Kapazität von Flash zu erhöhen, haben Hersteller im Laufe der Jahre den Abstand zwischen Transistoren auf Flash-Chips verringert. Im Jahr 2000 wurde die Flash-Technologie im 180-Nanometer-Verfahren hergestellt. Heutzutage werden moderne NAND-Flash-Zellen größtenteils in einem 32-nm-Prozess hergestellt, wobei einige hochmoderne Hersteller auf einen 24-nm-Prozess umsteigen. Das einzige Problem dabei ist, dass Flash immer weniger zuverlässig wird, je kleiner es wird. Ab April 2011 beträgt die theoretische Mindestgröße der Flash-Zellen 19 nm. Ab diesem Punkt wird die Stabilität von Flash höchst fragwürdig.
Da wir uns den Grenzen der Flash-Technologie nähern, ist es ratsam, in die Zukunft zu blicken und einige vielversprechende nichtflüchtige Solid-State-Speichertechnologien in Betracht zu ziehen, die den Flash-Speicher in unseren Mobilgeräten ersetzen könnten.
Phasenwechselspeicher
Phasenwechselspeicher (auch bekannt als PRAM oder PCM) ist wie Flash ein nichtflüchtiger Solid-State-Computerspeicher. Das bedeutet, dass die Informationen im ausgeschalteten Zustand erhalten bleiben und keine beweglichen Teile vorhanden sind. Im Gegensatz zu Flash, bei dem die in Gates gespeicherte elektronische Ladung geändert wird, um ein Bit auf 1 oder 0 zu setzen, verwendet PCM einen elektrischen Strom, um Wärme zu erzeugen, die ein Chalkogenidglas zwischen kristallinem und amorphem Zustand umschaltet, um ein Bit auf 1 oder 0 zu setzen.
PCM hat gegenüber Flash mehrere wesentliche Vorteile.
- PCM kann Daten effektiv 30x schneller schreiben. Das Speicherelement kann den Zustand eines einzelnen Bits von 1 auf 0 ändern. Wenn in Flash ein Bit auf 0 gesetzt ist, kann es nur durch Löschen eines gesamten Bitblocks in eine 1 geändert werden.
- PCM kann ohne Verlust an Zuverlässigkeit auf 0,0467 Nanometer skaliert werden.
- PCM ist langlebiger als Flash. Flash-Zellen verschlechtern sich schnell, da der Spannungsstoß an der Zelle zu einer Verschlechterung führt. Sobald sich die Zellen zu verschlechtern beginnen, verlieren sie elektrische Ladung, was zu Beschädigungen und Datenverlust führt. Flash-Speicher sind für etwa 5.000 Schreibvorgänge pro Sektor ausgelegt und die meisten Geräte verwenden Wear Leveling, um sie bis zu 1 Million Schreibzyklen stabil zu halten. Auch PCM zersetzt sich im Laufe der Nutzung aufgrund von Wärmeausdehnung und Metallmigration, jedoch viel langsamer. Theoretisch sollte PCM bis zu 100 Millionen Schreibzyklen aushalten.
- PCM eignet sich für den Einsatz in mehr Umgebungen als Flash. Da Flash zum Speichern von Informationen auf eingefangenen Elektronen beruht, ist es anfällig für Datenverfälschungen aufgrund der Strahlungseinwirkung. PCM weist eine höhere Strahlungsbeständigkeit auf und kann daher in Raumfahrt- und Militäranwendungen eingesetzt werden.
Magnetoresistiver RAM
Magentoresistiver RAM (auch bekannt als MRAM) ist eine weitere nichtflüchtige Festkörpertechnologie, die seit Mitte der 1990er Jahre entwickelt wird. MRAM speichert Daten mithilfe magnetischer Ladung statt elektrischer Ladung. MRAM besteht aus Paaren winziger ferromagnetischer Platten, aus denen die Speicherzellen bestehen. Jede Zelle besteht aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine Isolierschicht getrennt sind. Jede Zelle kann durch ein induziertes Magnetfeld manipuliert werden, das die Polarität der magnetischen Schichten in paralleler oder antiparalleler Ausrichtung einstellt. Die unterschiedlichen Orientierungen bestimmen, ob das Bit auf eine 1 oder eine 0 gesetzt wird.
MRAM hat gegenüber Flash und PCM viele wesentliche Vorteile:
- MRAM kann schneller gelesen und beschrieben werden und kann in viel kleinerem Maßstab ausgeführt werden. Wie bei PCM können einzelne Bits von 1 auf 0 geändert werden, ohne dass ein ganzer Block gelöscht werden muss.
- MRAM verschlechtert sich wesentlich langsamer als Flash oder PCM.
- MRAM könnte in Zukunft den gesamten Speicher ersetzen und damit zu einer universellen Speichertechnologie werden. Es sollte Geschwindigkeiten bieten, die denen von SRAM nahekommen, mit Dichten, die denen von DRAM nahe kommen, und gleichzeitig in der Lage sein, Informationen zu speichern, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, wie etwa Flash oder EEPROM.
- Wie PCM weist auch MRAM eine höhere Strahlungsbeständigkeit auf und kann daher in Weltraum- und Militäranwendungen eingesetzt werden, für die Flash nicht geeignet ist.
Abschließende Gedanken
Es ist zu beachten, dass wir nur darüber spekulieren können, wann Hersteller auf Flash als primäres Speichermedium in ihren Produkten verzichten müssen. Bedenken Sie, dass im Jahr 2002 viele Experten davon ausgingen, dass Flash-Zellen bei einer Skalierung über 45 nm nicht stabil sein würden, und vorhersagten, dass die Flash-Technologie bis 2010 ersetzt werden müsste. Wir wissen jetzt, dass sich diese Vorhersagen als falsch erwiesen haben.
Viele Experten glauben heute, dass technologische Durchbrüche, wie die Implementierung von Graphen, eine Verkleinerung der Technologie auf 10 nm ohne Stabilitätsverlust ermöglichen werden. Wenn dies zutrifft, könnte Flash noch viele Jahre lang der dominierende Speicher in Mobilgeräten sein. Obwohl neue Technologien wie PCM oder MRAM Flash in vielerlei Hinsicht weit überlegen sind, sind PCM und MRAM in der Herstellung viel teurer als Flash. Solange Flash ein brauchbares Speichermedium bleiben kann, gibt es zu wenige Anreize und zu hohe Produktionskosten, als dass Hersteller Geräte mit Speicher der nächsten Generation auf den Markt bringen könnten.