Was ist Flash-Speicher? Typen, Arbeitsweise, Vorteile und Herausforderungen

Flash-Speicher ist eine Speichertechnologie, die ein Floating-Gate-Zellendesign verwendet, um sich ihren Zustand vor dem Ausschalten zu merken und so Daten unabhängig von aktiver/inaktiver Stromversorgung beizubehalten, was sie zu einer dauerhaften Form von Lese-, Schreib- und Löschspeicher macht.

So funktioniert Flash-Speicher

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Flash-Speicher ist ein nichtflüchtiger Speicherchip, der zur Datenspeicherung und -übertragung zwischen digitalen Geräten und Personalcomputern verwendet wird. Es kann elektrisch umprogrammiert und gereinigt werden. Es ist häufig in USB-Sticks, MP3-Playern, Kameras oder Solid-State-Laufwerken enthalten. In den letzten Jahren ist die Flash-Technologie erschwinglicher und langlebiger geworden, was zu einer weiten Verbreitung in der Unternehmens-IT geführt hat.

Beispiele für Flash-Speicher, die am häufigsten in Computern vorkommen, sind:

Im Flash-Speicher werden Informationen in Speicherzellen gespeichert. Diese Zellen verfügen über Floating-Gate-Transistoren, die Elektronen über einen längeren Zeitraum, jedoch nicht unbegrenzt, einfangen können. Abhängig davon, wo eine Spannung angelegt wird, können diese Zellen Lese-, Schreib- und Löschaufgaben ausführen. Um einen Schreibvorgang durchzuführen, muss das Floating Gate der Speicherzelle entweder geladen oder entladen werden; Ein geladener Zustand impliziert eine logische 0 und ein entladener Zustand deutet auf eine logische 1 hin.

Moderne Speichersysteme gruppieren Speicherzellen in Seiten, sodass enorme Datenmengen gleichzeitig und nicht Zelle für Zelle abgerufen werden können. Die gebräuchlichste Form von Flash-Speicher, Nicht-AND-Flash (NAND-Flash), besteht aus Blöcken mit 32 oder 64 Seiten.

Ein NAND-Chip kann Elektronen innerhalb eines Oxidmediums und in ein Silikon-„Gate“ „schieben“. Diese Tore halten Elektronen zurück, die ein Computer als Einsen und Nullen interpretieren könnte. Der Chip verbindet Hunderte oder Tausende dieser Transistoren miteinander und nutzt einen Logikcontroller, damit sie als Einheit arbeiten.

Im Jahr 1981 meldeten Fujio Masuoka, ein in Toshiba ansässiger Elektroingenieur, und Hisakazu Iizuka, ein Mitarbeiter, das US-Patent 4.531.203 für die Erfindung des Blitzes an. Ursprünglich als gleichzeitig löschbares EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) bezeichnet, wurde es „Flash“ genannt, weil es sofort gelöscht und neu programmiert werden konnte – schnell wie ein Kamerablitz.

In der Vergangenheit dauerte es etwa 20 Minuten, bis löschbare Speicherchips (typische EPROMs) mit einem ultravioletten Lichtstrahl wiederverwendet wurden, was eine kostspielige, lichttransparente Verpackung erforderlich machte. Es gab billigere, elektrisch löschbare EPROMs, aber ihre Architektur war schwerer und weniger effizient und erforderte zwei Transistoren, um jedes Informationsbit zu speichern. Der Flash-Speicher hat diese Einschränkungen behoben.

Im letzten Jahrzehnt hat der Flash-Speicher den magnetischen Speicher schnell überholt. In Geräten von Supercomputern oder Laptops bis hin zu Mobiltelefonen und iPads werden Festplatten durch Flash-basierte SSDs (Solid-State-Drives) ersetzt, die klein, schnell und kompakt sind. Der Übergang von PCs und Festnetzgeräten zu tragbaren Geräten (Tablets und Smartphones) und Mobiltelefonen (die superkompakte, hochdichte und unglaublich stabile Speichereinheiten erfordern, die den Belastungen und Strapazen des Transports standhalten) hat zu diesem Trend beigetragen.

Diese Trends begünstigen derzeit die 3D-Flash-Technologie („Stacked“), die Samsung Anfang der 2000er Jahre entwickelt und 2013 offiziell eingeführt hat. Auf einem einzigen Siliziumwafer können mehrere Ebenen von Speicherzellen entwickelt werden, um die Speicherkapazität zu verbessern. Anstelle von Floating Gates (die in den folgenden Abschnitten erläutert werden) verwendet 3D-Flash einen Mechanismus, der als Ladungsfalle bekannt ist. Es bietet Speicherkapazitäten bis weit in den Terabit-Bereich bei gleicher Grundfläche.

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Zu den bemerkenswertesten Arten von Flash-Speichern gehören:

Arten von Flash-Speichern

Herkömmlicher Flash-Speicher, wie er von Verbrauchern verwendet wird, ähnelt in seiner Anwendung Festplattenlaufwerken (HDDs) und Solid-State-Laufwerken (SSDs). Es hilft dabei, Daten auf einem tragbaren, isolierten Chip mit Anschlüssen zu speichern, die in einen USB-Anschluss passen. Der Hauptvorteil eines herkömmlichen Flash-Speichergeräts ist seine skalierbare und kostengünstige Kapazität sowie seine zuverlässige Speicherung. Diese Speichertechnik ist jedoch anfällig für Mängel wie physischen Diebstahl.

Der primäre Flash-Speicher ist auf Geschwindigkeit und minimale Latenz ausgelegt. Es ist für die Eingabe-/Ausgabeverarbeitung an vorderster Front verantwortlich. Primärer Flash-Speicher eignet sich ideal für zeitkritische Unternehmensanwendungen und strukturierte Daten. Es zeichnet sich durch das schnelle Empfangen und Zurücksenden von Datenblöcken mit vorhersehbarer Größe aus.

Im Flash-Speicher für Big Data finden die wichtigsten Datenanalysevorgänge statt. Big Data erfordert die Geschwindigkeit und Kapazität, die Flash-Speicher bietet, aber die Latenz ist nicht so wichtig. Typischerweise wird Flash-Speicher für Big Data für stapelweise verarbeitete Analysen mit riesigen Datensätzen unterschiedlicher Größe verwendet. Es handelt sich um eine Art Flash-Speicher mit hoher Dichte.

Diese Art von Speichergerät, auch Cache-Speicher genannt, bietet die schnellsten Zugriffsraten auf Kosten der Kapazität. Die Popularität von Server-Flash hat in den letzten Jahren zugenommen, da es die Eingabe-/Ausgabeaktivitäten/-operationen pro Sekunde (IOPS) erhöht. Es erweitert außerdem den Flash-Speicher und funktioniert gleichzeitig mit dem Host-Programm. Dadurch kann ein IT-Team die Speicherung beschleunigen und die Latenz effektiver minimieren als mit anderen Arten von Flash-Speicher.

Eine intelligente Caching-Lösung ist eine Möglichkeit, ein Hybrid-Array zu definieren. Es ermöglicht den Zugriff auf Ihre gespeicherten Daten in weniger als einer Millisekunde und nutzt gleichzeitig die Speicherkapazität Ihres HHD. Ein Hybrid-Array erfordert einen höheren Arbeitsaufwand.

Flash-Speicher auf Rack-Ebene ist eine spezielle Form der Speicherung. Bei diesem Typ handelt es sich einfach um eine Teilmenge des Big-Data-Flash, seine Hauptanwendung ist jedoch die Verarbeitung von Datenanalysen in Echtzeit. Um eine möglichst kurze Bearbeitungszeit zu gewährleisten, erfordert Flash-Speicher im Rack-Maßstab eine sehr geringe Latenz.

Ein Solid-State-Disc-Flash-Laufwerk (SSD) verwendet Flash-Speicher zum Speichern von Daten. Eine SSD bietet Vorteile gegenüber einer Festplatte (HDD). Die intrinsische Verzögerung von Festplatten ist auf mechanische Komponenten zurückzuführen. Ein Solid-State-System verfügt über keine beweglichen Komponenten und hat daher eine minimale Latenz, sodass weniger SSDs erforderlich sind. Da die meisten aktuellen SSDs auf Flash-Speicher basieren, wird Flash-Speicher mit Solid-State-Geräten in Verbindung gebracht.

All-Flash-Arrays speichern Informationen ausschließlich im Flash-Speicher. Diese modernen Designs sollen die Leistung verbessern, ohne die Einschränkungen, die durch die historischen Funktionalitäten von SSD-Storage Area Networks (SAN) auferlegt wurden. Sie haben eine sehr geringe Latenz und eine hohe Verfügbarkeit. Sie eignen sich für Multicloud-Einstellungen und Speicherstandards wie Nonvolatile Memory Express (NVMe).

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Die Funktionsweise von Flash-Speichern basiert auf dem Konzept von Transistoren. Ein Transistor ist eine Art Halbleiter, der zum Verstärken oder Schalten von Leistung und elektrischen Signalen verwendet wird. Bei Computerspeichern fungiert der Transistor als Knopf oder Schalter, der es den Schaltkreisen des Speicherchips ermöglicht, ihren Zustand zu ändern.

Die Tatsache, dass es sich bei herkömmlichen Transistoren um elektrisch betriebene elektrische Schalter handelt, war sowohl ihr Vor- als auch ihr Nachteil. Dies ist vorteilhaft, da es einem Computer ermöglicht, Daten zu speichern, indem er elektrische Muster über seine Speicherschaltkreise überträgt. Sobald jedoch der Strom abgeschaltet wird, kehren alle Transistoren in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wodurch der Computer alle gespeicherten Daten verliert. Dies erklärt auch die Funktionsweise des Arbeitsspeichers (RAM).

Ein anderer Speichertyp, der sogenannte Nur-Lese-Speicher (ROM), ist von diesem Problem nicht betroffen. Wenn ROM-Chips erstellt werden, werden sie mit Daten vorprogrammiert, damit sie beim Ein- oder Ausschalten nicht „verlieren“, was sie gelernt haben. Darüber hinaus sind die von ihnen gespeicherten Daten dauerhaft.

Flash-Speicher teilt seine Hauptmerkmale mit ROM und RAM. Wie ROM behält es Informationen auch dann bei, wenn kein Strom vorhanden ist; Wie der RAM kann er wiederholt gelöscht und überschrieben werden. Zu diesem Zweck verwendet Flash einen völlig neuen Transistortyp, der unabhängig davon, ob der Strom aus- oder eingeschaltet ist, eingeschaltet (oder ausgeschaltet) bleibt. So funktioniert es:

Flash-Speichergeräte bilden Daten mit zwei unterschiedlichen logischen Technologien ab: Nicht-Oder (NOR) und Nicht-Und (NAND). Es kann verschwindend kleine Datenmengen wie ein einzelnes Byte wiederherstellen. NOR dient zur Speicherung der Betriebssysteme von Mobiltelefonen, Gerätetreibern sowie der BIOS-Software, die beim Computerstart ausgeführt wird.

NAND-Speicher verarbeitet Daten in kompakten Seiten, die nacheinander mit hoher Geschwindigkeit gelesen und geschrieben werden. Dieser Blitz wird in Festkörper- und USB-Flash-Speichersticks, Kameras, Videos, Audioplayern und Set-Top-Boxen für Fernseher verwendet. Der NAND-Speicher liest schneller als er schreibt und ermöglicht so die schnelle Übertragung ganzer Datenseiten. Die NAND-Technologie ist kostengünstiger als NOR-Speicher und bietet mehr Speicher bei vergleichbarer Chipgröße.

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Der größte Vorteil von Flash-Speichern ist seine Geschwindigkeit und Portabilität. Zu den Nachteilen gehören ein höherer Kostenanteil als bei anderen Speichertypen, eine begrenzte Kapazität bei gleichem Preis und ein Datenverlust im Laufe der Zeit, wenn er zu lange von der Stromversorgung getrennt bleibt. Lassen Sie uns diese Vorteile und Herausforderungen im Detail besprechen.

Flash-Speicher ist:

Beim Einsatz der Flash-Technologie ist es auch wichtig, sich deren Nachteile bewusst zu sein. Es ist:

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Flash ist eine der am weitesten verbreiteten Technologien unserer Zeit. Von Consumer-Speichergeräten bis hin zu All-Flash-Rechenzentren hat es die Art und Weise der Datenspeicherung revolutioniert. Flash-Speicher können Datenanalyseprozesse beschleunigen, indem sie die Abhängigkeit von Magnetspeichern reduzieren, die herkömmliche Server, Rechenzentren und Data Warehouses ausmachen würden. Tatsächlich brachte Micron im Januar 2023 eine neue Flash-basierte SSD für Rechenzentren auf den Markt, die 77 % bessere IOPS verspricht. Darüber hinaus verfügt die SSD über eine Kapazität von 30 TB, was für einen Flash-Speicher eine außergewöhnliche Leistung ist!

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Technischer Schreiber