Aufbau und Funktionsweise von Speicherkarten

Aktuell erhältliche Speicherkarten arbeiten praktisch ausschließlich auf Grundlage der Flash-Technologie, obwohl bis vor kurzem neben Flash auch ein grundverschiedenes Verfahren für den Aufbau von mobilem Wechselspeicher verbreitet war.

Im Betrieb ähneln die von IBM entwickelten mobilen Speichermedien auf Basis der MicroDrive-Technologie klassischen Festplatten mit mechanischen Bauteilen und Magnetismus und gelten heute als veraltet. Demgegenüber basiert  Flash-Speicher auf Halbleiter-Technologie und kommt in sämtlichen heute verbreiteten Speicherkarten-Typen, unter anderem CF Karten, SD Karten, SSD, MMC und Memory Stick, zum Einsatz.

Anforderungen an Speicherkarten

Die prinzipiellen Anforderungen an eine Speicherkarte sind eine kompakte Bauform bei hoher Speicherkapazität, die Wiederbeschreibbarkeit des Speichermediums, der Einsatz von nichtflüchtigem Speicher in den Speicherbausteinen sowie eine möglichst geringe Störanfälligkeit im mobilen Einsatz.

Je nach Einsatzgebiet ergeben sich weitere spezielle Anforderungen an die Speicherkarten – bei der Digitalfotografie sind beispielsweise besonders hohe spontane Datentransferraten gefragt, um Serienaufnahmen zuverlässig speichern zu können.

Flash Speicher Architektur

Im Gegensatz zu herkömmlichen Festplatten besitzen Speicherkarten auf Flash-Basis keine beweglichen Teile mehr. Sämtliche Funktionen der mechanischen Komponenten bei der Harddisk übernehmen bei Flash-Speicherkarten Halbleiter, also elektrotechnische Bauelemente. Diese müssen in der Lage sein, Daten persistent, also nichtflüchtig zu speichern. Das bedeutet, dass Informationen aus den Speicherbausteinen auch dann nicht verloren gehen, wenn keine Spannung mehr anliegt. Dadurch unterscheidet sich Flash-Speicher grundsätzlich von volatilen bzw. nicht-persistenten RAM-Bausteinen. Die im RAM-Hauptspeicher eines Computers abgelegte Information bleibt nämlich immer nur so lange erhalten wie der Computer auch läuft. Zieht man den Netzstecker verlieren RAM-Module die Fähigkeit, Daten zu speichern.

Zusätzlich muss Flash-Speicher im Gegensatz zu klassischen optischen Medien wie CDs oder DVDs in der Lage sein, die gespeicherten Daten bei Bedarf zu überschreiben und mit anderen Daten zu ersetzen.

Um diese Ziele zu erreichen sind die Speicherbestandteile von Flash-Speicherkarten (Flash-Zellen) aus speziellen Halbleitern aufgebaut, die den sog. MOSFETs (Metall-Oxid-FeldEffektTransistoren) ähneln. Jeder Transistor kann eine elektrische Ladung in Form von Elektronen entweder leiten oder sperren, was genau den Informationszuständen eines Bits (0 und 1) entspricht. Ein Transistor gibt die in ihm gespeicherte Information preis wenn eine Spannung angelegt wird: Je nach dem ob Strom fließt oder nicht ‚besitzt‘ er die logische Information ‚1‘ oder ‚0‘.

Bei einem klassischen bipolaren Transistor wird Strom für mehrere Funktionen benötigt: zum einen werden Elektronen aus Siliziumflächen des Transistors herausgelöst um damit den Schaltzustand zu verändern. Informationen werden auf diese Weise gespeichert bzw. gelöscht. Weiterhin wird der Strom in Form von Refresh-Impulsen benötigt, um den erreichten Zustand stabil zu halten.

Ein MOSFET hingegen ist in der Lage, mittels einer dünnen Oxidschicht einen kleinen Kondensator aufzubauen, der über ein einmal aufgebautes elektrisches Feld Ladungsträger zwischen den Siliziumschichten transportiert. Spannung baut sich auf bis ein Grenzwert (Threshold) erreicht wird. In der Folge entsteht ein dünner (n-)leitender Kanal, der ohne Refresh-Impulse stabil bleibt.

Beim MOSFET wird also Strom nur benötigt, um den Kondensator zu laden oder zu entladen, während im anderen Fall Strom dauerhaft zugeführt werden muss um die Leitfähigkeit in einem stabilen Zustand zu halten und die gespeicherten Information zu erhalten. Flash-Zellen verfügen über leicht abgewandelte MOSFETs, bei denen die Kondensatoren zusätzlich über eine als Ladungsfalle fungierende Elektrode vor dem Verlust des Leitungszustands geschützt werden.

NOR und NAND

Je nachdem ob die Flash-Zellen in einem Speicherbaustein parallel in einem Gitter angeordnet sind oder seriell in einer Reihe, spricht man von NOR- oder NAND-Flash. Der parallele NOR-Flash verfügt über geringere Speicherdichte und ist vergleichsweise teuer, führt Abrufvorgänge aber prinzipiell schneller aus. NOR-Speicher wird auch MLC (Multi-Level-Cell) genannt und kann aufgrund seiner Gitterstruktur flexibel angesprochen werden.

NAND-Speicher oder SLC (Single-Level-Cell) Flash besitzt eine höhere Speicherdichte, ist günstig in der Herstellung und hat sich aus ebendiesen Gründen gegenüber NOR weitestgehend durchgesetzt. Der generelle Nachteil von NAND besteht darin, dass man, um an die Information einer einzelnen Flash-Zelle heranzukommen, alle in der Reihe vorgeschalteten Zellen zunächst auf „Durchzug“ schalten muss. Damit lassen sich die höheren Zugriffszeiten von NAND-Speicher erklären.

Lebensdauer von Flash-Speicher

Aufgrund seiner Funktionsweise ist Flash-Speicher nicht unbegrenzt haltbar. Jeder Schreib- und Löschzyklus verursacht einen gewissen Verschleiß in den Oxidschichten der Zellen, so dass die Hersteller von Speicherkarten eine Art Mindesthaltbarkeit für ihre Produkte angeben, die auf der Anzahl der durchgeführten Löschzyklen basiert. Bei NAND beträgt dieser Wert 100.000 Zyklen, NOR-Flash erreicht nur 10.000 Zyklen, wobei ein großzügiger Sicherheitspuffer bereits eingerechnet ist, d.h. NAND-Speicherkarten bleiben in der Regel auch nach 1.000.000 und mehr Löschzyklen voll funktionsfähig.

Zusätzlich soll eine Art Defektmanagement die Lebensdauer der Flash-Speicherkarten deutlich erhöhen: sobald der Verschleiß innerhalb eines Blocks  die Integrität der Daten beeinträchtigt wird dieser Block als defekt markiert und die dort abgelegten Daten auf einen Reserveblock umgelagert. Diese Blockverwaltung kümmert sich zudem von Anfang an um eine gleichmäßige Verteilung der Schreibzugriffe, damit die Blöcke möglichst einheitlich verschleißen.

Der Controller macht die Speicherkarte

Das Defektmanagement ist Aufgabe einer Komponente, die in der überwiegenden Mehrzahl heute angebotener Speicherkarten ihren Dienst verrichtet und maßgeblichen Einfluss auf ihre Leistungsfähigkeit hat, der Controller.

Der Controller kümmert sich neben der Wartung der Flash-Zellen vor allem um die Kommunikation der Speicherkarte mit dem Endgerät. Er ist damit maßgeblich für die Datentransferraten verantwortlich, die beim Lesen von oder beim Schreiben auf die Flash-Zellen erreicht werden. Speicherkarten namhafter Hersteller verfügen oft über hochentwickelte Controller und liegen bei den Zugriffs- und Transferraten meist deutlich über den Werten von Noname-Produkten mit technisch weniger ausgefeilten Controllern. Neben der Geschwindigkeit ist auch die Zuverlässigkeit bei der Datenkommunikation sowie das Protokoll, das für ein reibungsloses An- und Abmelden der Speicherkarten beim Betriebssystem sorgt, Sache des Controllers.

Bei den meisten heute verfügbaren Speicherkarten ist der Controller in der Datenträgereinheit integriert, bei einigen Modellen wird er aber auch extern realisiert um eine noch kompaktere Bauform zu erreichen. Der Nachteil der externen Variante liegt darin, dass außen liegende Controller oftmals mehr als ein Kartenmodell verwalten müssen und nicht optimal auf die Anforderungen jedes einzelnen abgestimmt sind. Leistungsverlust und Kompatibilitätsprobleme können die Folge sein. Die fortschreitende Miniaturisierung der Speicherkarten – aktueller NAND-Flash kann anstatt nur einem bis zu vier Bit pro Zelle speichern – machen eine solche ‚Notlösung‘ mehr als fraglich.

Autor: PN

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