Entwicklung des Flash-Speichers: Kapazität, Kosten und Formfaktor

Inhaltsverzeichnis

• Festplatten und Disketten boten zwar hervorragenden Speicherplatz für große Datenmengen, waren jedoch sperrig, empfindlich und langsam. 
• RAM (Random Access Memory) war schneller, konnte Daten jedoch nur speichern, solange eine regelmäßige Stromversorgung vorhanden war. 
• ROM (Read-Only Memory) konnte nach der Herstellung nicht mehr verändert werden.
• Mit programmierbarem ROM (PROM) konnten Daten einmal überschrieben, danach jedoch nicht mehr geändert werden. 
• EPROM (Erasable Programmable ROM) war besser, da es gelöscht und neu beschrieben werden konnte, aber dieser Vorgang war sehr langsam, unpraktisch und erforderte den Einsatz von ultraviolettem Licht. 

Der Flash-Speicher hat all diese Probleme gelöst. 

• Er konnte Daten auch bei ausgeschaltetem Gerät speichern, konnte gelöscht und neu beschrieben werden, war schnell, tragbar und wesentlich langlebiger als Festplatten. 
• Im Laufe der Zeit wurden Flash-Speicher immer erschwinglicher und effizienter, sodass sie heute zu den am häufigsten verwendeten Speichertypen gehören. Sie sind überall zu finden, von USB-Laufwerken und Smartphones bis hin zu modernen Solid-State-Laufwerken in Computern. 

In dieser zweiteiligen Artikelserie werden wir die faszinierende Geschichte und Entwicklung des Flash-Speichers untersuchen. Wir werden verstehen, wie sich die Kapazität und Erschwinglichkeit von Flash-Speichern von den frühen 1980er Jahren bis heute verbessert haben, wie sich verschiedene Arten von Flash-Speichern entwickelt haben, wie Hersteller Probleme wie Datenverschlechterung gelöst haben und wie sich die Leistungsmerkmale von Flash-Speichern wie Lese-/Schreibgeschwindigkeit, Latenz und Haltbarkeit verbessert haben.

Entwicklung von Flash-Speichern in Bezug auf Kapazität, Dichte und Kosten

In den letzten vier Jahrzehnten ist die Kapazität von Flash-Speichern von wenigen Kilobyte auf Geräte mit mehreren TB explodiert. Möglich wurde dies durch bedeutende technologische Fortschritte wie die Miniaturisierung von Halbleiterprozessen und Multi-Level-Cell-Technologien wie MLC, TLC und QLC sowie 3D-NAND-Stapelung. 

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Als Flash-Speicher erfunden wurden, war ihre Kapazität noch sehr begrenzt. Frühe Flash-Chips hatten nur eine Kapazität von wenigen hundert Kilobit.

• Im Jahr 1985 entwickelte Toshiba einen Flash-Speicherchip mit einer Kapazität von 256 Kb.

Im Laufe der Zeit wurden die Halbleiterfertigungstechniken jedoch weiter verbessert, sodass die Hersteller Chips mit immer größerer Kapazität produzieren konnten. 

• Bis 1989 waren Flash-Speicher mit einer Kapazität im Megabyte-Bereich verfügbar, die innerhalb weniger Jahre auf 16 MB und dann auf 32 MB stieg.

Die Hersteller verfolgten zwei wichtige Strategien: Zuerst wurde die Größe der einzelnen Speicherzellen durch einen Prozess namens „Node Shrinkage” reduziert, anschließend wurde die Speicherkapazität jeder Zelle erhöht.

Einer der wichtigsten Meilensteine in der Entwicklung der Flash-Kapazität war die Multi-Level-Cell-Technologie (MLC). Diese Technologie ermöglichte es, mehr als ein Bit an Informationen in einer einzigen Flash-Speicherzelle zu speichern.

• Der Hersteller NEC demonstrierte die MLC-Technologie 1998 als erster mit einem 80-MB-Chip, der 2 Bits pro Zelle speichern konnte.
• Später stellte STMicroelectronics einen 64-MB-NOR-Flash-Chip mit dem gleichen MLC-Design vor.

Diese erfolgreichen Produkte ebneten den Weg für die Triple-Level-Cell-Technologie (TLC), die 3 Bits pro Zelle speichert, und anschließend für die Quadruple-Level-Cell-Technologie (QLC), die 4 Bits pro Zelle speichert. Mit diesen Technologien konnte die Speicherkapazität eines Flash-Speicherchips vervielfacht werden, ohne dessen Größe zu erhöhen.

Diese zweidimensionale Skalierung stieß jedoch bald an ihre physikalischen Grenzen. 

Die nächste große Technologie für die Branche war eine dreidimensionale Lösung namens 3D-NAND, auch bekannt als vertikaler NAND. Bei dieser Art von Flash-Speichertechnologie werden mehrere Schichten von Flash-Speicherzellen übereinander gestapelt. Durch den Einsatz dieser Technologie können Hersteller die Speicherkapazität pro Chip drastisch erhöhen, ohne die Größe der einzelnen Zellen weiter reduzieren zu müssen.

Durch die Stapelung von 24, 48 oder sogar mehr Schichten konnten moderne Flash-Speicherpakete Kapazitäten von mehr als einem Terabyte in einem einzigen Chip-Paket erreichen. Toshiba gehörte zu den ersten Herstellern, die mit 3D-NAND experimentierten, und 2013 brachte Samsung eine kommerzielle Version eines 24-Layer-V-NAND-Produkts auf den Markt.

Im Jahr 2020 stellte Micron einen 176-Layer-NAND-Chip vor, gefolgt von einer 232-Layer-Version. Jetzt gehen die Hersteller noch einen Schritt weiter: Samsung hat die Massenproduktion seines V-NAND der 9. Generation mit 290 Layern aufgenommen und plant, bis 2025 einen Chip mit 430 Layern auf den Markt zu bringen. Kioxia und SanDisk haben einen 332-Layer-Chip entwickelt, während SK Hynix bis Anfang 2025 einen 321-Layer-NAND produzieren will. YMTC arbeitet ebenfalls an einem 300-Layer-NAND.

Wichtige Meilensteine in der Entwicklung von Flash-Speichern – Kapazität

Mit zunehmender Speicherdichte von Flash-Speichern sind die Kosten pro MB stark gesunken. Früher waren Flash-Speicher sehr teuer und wurden nur in Nischenanwendungen eingesetzt. Dank Prozessverbesserungen wie MLC, TLC, QLC und 3D NAND sind Flash-Speicher heute jedoch die dominierende Speichertechnologie. Sie sind in Smartphones, USB-Laufwerken und leistungsstarken Solid-State-Laufwerken zu finden. Die reduzierten Kosten pro Einheit haben Flash-Speicher zu einem allgegenwärtigen Bestandteil moderner Elektronik gemacht.

Die folgende Tabelle zeigt, wie die Speicherdichte von NAND-Flash seit 2008 kontinuierlich gestiegen ist, begleitet von einem entsprechenden Preisrückgang.

Meilensteine in der Entwicklung von Flash-Speichern – Speicherplatz, Dichte und Kosten 

Entwicklung von Flash-Speichern hinsichtlich Formfaktor und Verpackungsinnovationen

Im Gegensatz zum Formfaktor von Festplatten, der sich auf den Durchmesser der Platten bezieht, bezieht sich der Formfaktor von Flash-Speichern auf die Form und die Art und Weise, wie ein Flash-Speicherchip mit einem Gerät verbunden ist.

Der Formfaktor von Flash-Speichern hat sich in den letzten vier Jahrzehnten aufgrund der Nachfrage nach immer kleineren und leistungsfähigeren Geräten erheblich verändert. Innovationen in der Flash-Speichertechnologie haben mit diesen Verbraucheranforderungen Schritt gehalten oder waren sogar bahnbrechend.

In den Anfängen wurden Flash-Chips direkt auf Leiterplatten integriert. Mit dem Aufkommen der Unterhaltungselektronik entstand der Bedarf an austauschbaren Formaten.

CompactFlash wurde 1994 eingeführt und fand breite Anwendung in professionellen Kameras. Bis 1999 hatte sich die Secure Digital (SD)-Karte als Industriestandard durchgesetzt. Die anfänglichen Kapazitäten dieser Karten betrugen bis zu 2 GB. Das Format entwickelte sich schnell zu SDHC, SDXC und später SDUC, wobei jedes neue Format eine höhere Kapazität und bessere Leistung bot. MiniSD-Karten waren eine Zeit lang auf dem Markt und wurden um 2005 durch microSD-Karten ersetzt, die weiterhin in Smartphones, Tablets und IoT-Geräten verwendet werden.

USB-Flash-Laufwerke wurden Anfang der 2000er Jahre aufgrund ihres einfachen Plug-and-Play-Designs ebenfalls sehr beliebt. Im Bereich der internen Speicher kam die erste große Welle von Flash-Speichern in Form von 2,5-Zoll-SSDs, die sich als direkter Ersatz für Festplatten in Laptops und PCs durchsetzten. Dieses Format erschien kurz darauf, wurde jedoch schließlich durch den M.2-Standard abgelöst, der heute der Industriestandard für Hochleistungs-SSDs ist.

Meilensteine in der Entwicklung des Flash-Speichers – Formfaktoren

Weitere Durchbrüche bei der Flash-Speicherleistung

Seit seiner Erfindung hat der Flash-Speicher eine dramatische Wandlung durchlaufen. Von großen Chips mit geringer Kapazität in den 1980er Jahren bis hin zu ultraschnellen SSDs mit mehreren Terabyte heute hat er sich in Bezug auf Kapazität, Geschwindigkeit und Kosteneffizienz kontinuierlich weiterentwickelt. Zwar haben auch Festplattenlaufwerke ein exponentielles Wachstum in Bezug auf Kapazität, Geschwindigkeit usw. erlebt, doch hat die Bedeutung des Flash-Speichers zugenommen, da er wesentlich mobiler als HDDs ist und schnellere Lese-/Schreibgeschwindigkeiten bietet.

Weitere Informationen zu technologischen Fortschritten bei der Lese-/Schreibgeschwindigkeit und anderen Leistungsmerkmalen wie Latenz und Haltbarkeit finden Sie in unserem Leitfaden zur Entwicklung von Flash-Speichern in Bezug auf Leistung und Zuverlässigkeit.

Hinweis: Während Flash-Speicher den Markt für tragbare Speichermedien dominieren, sind Festplatten für die kostengünstige Speicherung großer Datenmengen nach wie vor unverzichtbar. Wenn Sie sich für die Entwicklung von Festplatten interessieren, empfehlen wir Ihnen unseren Leitfaden zur Geschichte der Festplatten, ihren Leistungsmerkmalen und den wichtigsten Spezifikationen, die Sie vor dem Kauf einer Festplatte beachten sollten.

Neben den Entwicklungen beim Flash-Speicher können auch Festplatten verschiedene Probleme verursachen, auf die Nutzer stoßen können. Weitere Informationen dazu finden Sie im folgenden Leitfaden.

• So Beheben Sie „Die Semaphore-Zeitüberschreitung ist Abgelaufen“ (Fehler 0x80070079)
• So Beheben Sie den Fehler "Ihr PC st auf ein Problem Gestoßen und Muss neu Gestartet Werden"
• Wie Behebt Man den Fehler Boot Device Missing or Boot Failed