Flash-Speicher – Grundlagen, Anwendungen heute und in · PDF file- 6 - Raum untergebracht werden müssen und ohne eine kontinuierliche Energieversor-gung, also nichtflüchtig, gespeichert

Ernst-Moritz-Arndt-Gymnasium

Bonn

Facharbeit

im Leistungskurs Informatik

Flash-Speicher – Grundlagen, Anwendungen heute

und in der Zukunft

Verfasser: Benno Alexander Ommerborn

Kursleiter: Nils van den Boom

Schuljahr: 2009/ 2010

Abgabetermin: 15.03.2010

Note: ________________________

________________________

(Unterschrift des Kursleiters)

- 2 -

Inhaltsverzeichnis Abbildungverzeichnis ........................................................................................................ 3

Tabellenverzeichnis ........................................................................................................... 3

Vorwort ............................................................................................................................. 4

1 Einleitung ................................................................................................................... 5

2 Grundlagen ................................................................................................................ 5

2.1 Historie des Flash-Speichers ............................................................................... 6

2.1.1 RAM ............................................................................................................. 7

2.1.2 Flash-Speicherarten .................................................................................... 8

3 Anwendungen heute ............................................................................................... 13

3.1 Funktionsprinzip ............................................................................................... 13

3.1.1 Lesen, Speichern und Löschen .................................................................. 13

3.1.2 Architekturen ............................................................................................ 17

3.1.3 Defektmanagement .................................................................................. 17

3.2 Neue Möglichkeiten ......................................................................................... 20

3.2.1 Datenzugriff ............................................................................................... 20

3.2.2 Systemintegration ..................................................................................... 22

3.2.3 Energieeffizienz ......................................................................................... 23

3.2.4 Sicherheit .................................................................................................. 23

4 Anwendungen in der Zukunft .................................................................................. 25

4.1 Neuer Umgang mit dem Computer .................................................................. 25

4.2 Visionen ............................................................................................................ 26

Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 27

Erklärung ......................................................................................................................... 29

- 3 -

Abbildungverzeichnis

Abbildung 1 – Marktanteile der Speicherkarten-Formate ............................................... 7

Abbildung 2 - Fortschritte der SD-Karte .......................................................................... 10

Abbildung 3 – SDXC-Karte (Originalgröße) ..................................................................... 11

Abbildung 4 – Lesen, Flash Zelle keine Ladung (logisch 0) ............................................. 14

Abbildung 5 - Lesen, Flash Zelle Ladung (logisch 1) ........................................................ 14

Abbildung 6 - Schreiben, in den Zustand Ladung bringen (logisch 1) ............................. 15

Abbildung 7 - Dreh- und Biege-Test ................................................................................ 24

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 - historische Entwicklung der Flash-Speicher Karten ........................................ 7

Tabelle 2- SSD Flash vs. Festplatte .................................................................................. 21

- 4 -

Vorwort

Die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Flash-Speicher bezüglich deren Kapazität

und Größe fasziniert mich schon seit einigen Jahren, sodass ich bereits vor dem Verfas-

sen dieser Facharbeit über einiges Wissen verfügte. Nun war jedoch komprimiertes

Fachwissen gefragt. Bedanken möchte ich mich daher bei einem weltweit führenden

Hersteller von Speicherkarten für seine schnelle und unbürokratische Hilfe.

Die Erstellung der Facharbeit basiert auch auf den umfangreichen Informationen, die

ich von Panasonic Deutschland, eine Division der Panasonic Marketing Europe GmbH,

erhalten habe. Aufgrund meiner Anfrage um Unterstützung erhielt ich sehr schnell

entsprechende Informationen, Tabellen und Hinweise auf Quellen, die ich in meine

Arbeit einfließen lassen konnte. Die Firma Apple Inc. hingegen als weltgrößter Nach-

frager von SSD Lösungen verwies mich nur auf allgemein zugängliche Informationspor-

tale.

Ganz besonders hervorheben möchte ich das persönliche Engagement von Frau Silke

Moesing, General Manager Marketing Creative Network & Media, die mir bei meinen

Anrufen und Anfragen immer gerne die neuesten Informationen vermittelte und durch

Dokumente belegte. Sogar Anschauungsobjekte für eine mögliche Präsentation zum

Thema werde ich erhalten. Durch diese persönliche Betreuung konnte ich in meiner

Facharbeit den allerneuesten Entwicklungsstand auf diesem Gebiet dokumentieren.

- 5 -

1 Einleitung

Ziel der Arbeit ist die Aufstellung einer durch die Facharbeit nachvollziehbaren, fun-

dierten Vision, wie sich die Welt in wenigen Jahren aufgrund der Innovation - neue

SDXC-Speicherkarte und die SDXC-Spezifikation - im Umgang mit Computern verän-

dern kann.

Die Facharbeit behandelt die wesentlichen Flash-Speicherkarten der letzen 15 Jahre.

Abgrenzung: Das Flash-basierte Solid State Drive (SSD) wird tiefer behandelt, obwohl

es nicht einer Flash-Speicherkarte im Vergleich zu den anderen dargestellten Flash-

Speichern entspricht. Die neue Spezifikation der SDXC-Karten ist mit den Leistungs-

merkmalen einer SSD vergleichbar. Die SSD ist wiederum mit konventionellen Festplat-

ten vergleichbar. Durch die SSD Erläuterungen erhält der Leser einen Blick aus der Pra-

xis auf die theoretischen Leistungsdaten der SDXC-Spezifikation anhand der realen

Leistungsdaten einer SSD.

In Kapitel Grundlagen erfolgt die notwendige Definition eines Flash-Speichers. Im Ver-

lauf werden die Historie der maßgeblichen Flash-Speicher und des Random Access

Memory dargestellt. In Kapitel Anwendungen heute werden das Funktionsprinzip und

neue Möglichkeiten erläutert. Das Funktionsprinzip beinhaltet die Abschnitte Lesen,

Speichern und Löschen einschließlich Tunneleffekt, die Architektur und Defektmana-

gement. Der Abschnitt Neue Möglichkeiten geht auf die Themen Datenzugriff, System-

integration, Energieeffizienz und Sicherheit ein. Anwendungen in der Zukunft bildet

das letzte Kapitel mit den zwei Abschnitten Neuer Umgang mit dem Computer und

Visionen.

Es wurden die Methoden Reflexion von Fakten anhand von Quellen und sachliche Dar-

legung von Funktionsprinzipien eingesetzt.

2 Grundlagen

Ein Flash-Speicher ist ein nichtflüchtiger Computer-Speicher, der in großen Blöcken

elektrisch gelöscht und neu programmiert werden kann. Ein Flash-Speicher ist also

eine spezielle Art des EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memo-

ry). 1 Der Flash-Speicher wird überall dort eingesetzt, wo Informationen auf kleinstem

1 (Flash memory, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010)

- 6 -

Raum untergebracht werden müssen und ohne eine kontinuierliche Energieversor-

gung, also nichtflüchtig, gespeichert werden sollen. Das bekannteste Beispiel sind die

SD-Speicherkarten, welche auf diese Technologie zurückgreifen.2 Vor allem in mobilen

Geräten wie Digitalkamera, Camcorder, MP3-Player, Handy, PDA und Navigationsgerät

werden Flash-Speicher verwendet. Aber auch Computer, Drucker, TV-Geräte und DVD-

Player bieten heute Schnittstellen für Flash-Speicher an. Vor allem kleine Betriebssys-

teme, BIOS und die Firmware für Geräte werden auf Flash-Speichern gespeichert.

2.1 Historie des Flash-Speichers

Der Floating-Gate-Transistor stellt bei den Flash-Speichern das elementare Speicher-

element dar. Er wurde 1967 von Dr. Dawon Kahng und Dr. Simon Min Sze in den Bell

Laboratories entwickelt.3

Dr. Fujio Masuoka forschte in den 90-iger Jahren als Mitarbeiter der Firma Toshiba auf

dem Gebiet der nichtflüchtigen Speicher. 4 Unter dem US-Patent 4531203 wurden die

Grundlagen des Flash-Speichers am 23.07.1985 veröffentlicht und Dr. Fujio Masuoka

wird als Erfinder aufgeführt.5 Heute ist Dr. Fujio Masuoka Chief Technology Officer

(CTO) der Firma Unisantis Electronics (Japan) Ltd. und emeritierter Professor des Re-

search Institute of Electrical Communication der Tohoku Universität in Japan.6

Einen Mitarbeiter von Dr. Fujio Masuoka erinnerte der in Blöcken stattfindende Lösch-

vorgang des Speichers an einen Kamerablitz. Der Anekdote nach kam es so zu dem

Namen „Flash“.7

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die historische Entwicklung der heute

maßgeblichen Flash-Speicher Karten (vgl. Tabelle 1 und Abbildung 1):

CompactFlash8, SSD9 (Solid State Drive), MMC10 (Multimedia Card) und SD11 (Secure

Digital)

2 (Koppe, Tristan, Verbesserung der elektronischen Auslese von Photoelektronenvervielfachern für den

Bachelorpraktikumsversuch E4 (Kamiokanne), 2009) 3 (Floating-Gate-Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

4 (Fujio Masuoka, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010)

5 (Europäisches Patentamt, US-Patent 4531203 , 2010)

6 (Unisantis-Electronics (Japan) Ltd., 2010)

7 (Oklobdzija, Vojin G.; Digital design and fabrication, 2008)

8 (CompactFlash, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. , 2010)

9 (Solid-state drive, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010)

10 (Multimedia Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. , 2010)

11 (SD Memory Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

- 7 -

Kartenbezeichnung

CompactFlash

Typ I/

Typ II

SSD

flash basiert

MMC SD

Markteinführung 1994 1995 1997 08.1999

Größe in mm 43 x 36 x 3,3/

43 x 36 x 5

1.0-, 1.8-, 2.5-

und 3.5-Zoll

24,0 × 32,0 × 1,4 32 × 24 × 2.1

Speicherkapazität

bis 128 GB 1,5 TB 8 GB SD: 8 MB - 4 GB

SDHC: 4 GB - 32 GB

SDXC: 32 GB- 2 TB

Entwickler

SanDisk MSystems, 2006

Übernahme

durch SanDisk

Siemens -Tochter

Ingentix, SanDisk

Panasonic,

SanDisk, und

Toshiba

Tabelle 1 - historische Entwicklung der Flash-Speicher Karten

Abbildung 1 – Marktanteile der Speicherkarten-Formate12

2.1.1 RAM

Alles angefangen hat es mit dem RAM (Random-Access Memory). Früher wurde alles

auf Lochkarten oder magnetischen Trommelspeichern gespeichert. Danach kam der

zwischen 1949 bis 1952 entwickelte Vorgänger des RAMs, der magnetische Kernspei-

cher zum Einsatz. Dieser fand Verwendung in den meisten Computern bis zur Entwick-

12

(Panasonic Marketing Europe GmbH, Moesing, Silke, 2009)

- 8 -

lung des statischen und des dynamischen RAMs. Eine große Neuerung kam mit den

Halbleiterspeichern, die einen wahlfreien oder direkten Zugriff erlaubten. „Wahlfrei“

bedeutet hierbei, dass jede Speicherzelle direkt angesprochen werden kann. Um im

heutigen Computer schnellen Zugriff auf aktive Programme und Anwendungen zu ge-

währleisten, werden diese in den RAM bzw. Hauptspeicher geladen bzw. gespeichert.

Der Nachteil beim RAM ist, dass bei fehlender Betriebsspannung alle Daten verloren

gehen. Außerdem gibt es noch den ROM (Read Only Memory), der nur gelesen werden

kann. Dieser wird vor allem für die unveränderliche Speicherung des BIOS oder der

Firmware von Geräten verwendet. Beim RAM kann jede Zelle einzeln beschrieben

werden. Das unterscheidet RAM Halbleiter wesentlich vom blockweise beschreibaren

Flash-Speicher.13

2.1.2 Flash-Speicherarten

CompactFlash, MultiMediaCard und Memory Stick

Der erste CompactFlash (CF) wurde 1994 von SanDisk vorgestellt, der sich bis heute

mit hohen Datentransferraten auszeichnen.14 1997 wurde als weiteres Flash-Speicher-

kartenformat MultiMediaCard (MMC) von der Siemens-Tochter Ingentix und SanDisk

vorgestellt.15 Als Konkurrent dazu kam 1998 der erste Memory Stick von Sony auf den

Markt.16

SD Memory Card

Die vollständige Bezeichnung dieser Flash-basierten Speicherkarte lautet Secure Digital

Memory Card, im Folgenden SD Memory Card oder kurz SD genannt. Im August 1999

beschlossen Panasonic (Matsushita), SanDisk und Toshiba, gemeinsam Standards für

die Entwicklung und Vermarktung von SD-Karten zu definieren.17 Daraus entstand im

Januar 2000 die SD Card Association zur Definition von Industriestandards und zur För-

derung von SD-basierten Produkten - heute mit mehr als 1000 Mitgliedern.18 Die erste

Definition der Standards wird mit SD 1.0 bezeichnet, die folgenden mit SD 2.0 (vgl.

13

(Benz, Benjamin, Erinnerungskarten – Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006) 14

(CompactFlash, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. , 2010) 15

(Multimedia Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. , 2010) 16

(Memory Stick, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. , 2010) 17

(SD Memory Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 18

(SD Card Association, 2010)

- 9 -

SDHC) und SD 3.0 (vgl. SDXC). 2000 wurde auf der Consumer Electronics Show (CES)

die SD-Karte zum ersten Mal vorgestellt. Damit wurde die SD-Karte die Konkurrenz für

Sony‘s Memory Stick.19

Der Nutzen der SD-Karte liegt in der Portabilität, Ausbaufähigkeit und Interoperabilität

im Einsatz bei Geräten wie Digitalkamera, Camcorder, MP3-Player, Handy, PDA und

Navigationsgerät, TV-Gerät, Computer, DVD-Player und Drucker.20

Durch die universelle Nutzung wurde die SD-Karte sehr schnell beliebt. Damit ist die SD

der Nachfolger bzw. eine Weiterentwicklung der MMC. Die Besonderheit der SD-Karte

ist ein Digital Rights Management (DRM), das in einem geschützten Speicherbereich

der Karte dafür sorgt, dass Mediendateien, wie Filme und Musik nicht unrechtmäßig

abgespielt werden können. Ein Schreibschutz ist über einen Schieberegler realisiert.

Dieser verhindert, dass auf der Karte Daten gelöscht, verändert oder hinzugefügt wer-

den können. Der Schreibschutz wird vom Kartenlesegerät erkannt und ist kein Schutz-

mechanismus auf der Karte selbst. Die Karte besteht aus einem integrierten Controller

und besaß zu Beginn eine Speicherkapazität von nur 8 Megabyte. Diese stieg in kürzes-

ter Zeit exponentiell an und hatte die Grenze von 2 Gigabyte schnell überschritten. Als

Dateisystem wird hauptsächlich FAT16 verwendet.21 Prinzipiell sind SD Karten nicht auf

das FAT-Dateisystem beschränkt. Es ist durchaus kein Problem, sie mit UFS, ZFS, ext3,

NTFS oder ähnlichem zu verwenden, was diese Medien wegen ihrer Größe als Ersatz

für USB-Sticks interessant macht.22

SDHC

Eine Erweiterung der SD-Karte ist die SDHC-Karte (SD High Capacity, SD 2.0), die die

maximale Kapazität auf 32 Gigabyte anhob. Außerdem wurden die Leistungsklassen

zur Mindestübertragungsrate definiert. Bei Karten der Klasse 2 sind es 2 MByte/s, bei

Klasse 4 sind es 4 MByte/s und bei Klasse 6 mindestens 6 MByte/s.

Die erste 4 GB SDHC–Karte der Klasse 4 kam 2006 auf den Markt und zwei Jahre später

schon die erste Klasse 6 Karte mit 32 Gigabyte (vgl. Abbildung 2).

19

(Secure Digital Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010) 20

(SD Association Celebrates 10 Years of Innovation, 2010) 21


(Secure Digital Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010)

- 10 -

Abbildung 2 - Fortschritte der SD-Karte23

Durch die höheren Datenraten können erste AVCHD-Kameras mit SDHC Karten als

Speichermedium realisiert werden. Vor allem für mehr Serienbildaufnahmen von Digi-

talkameras mit hoher Auflösung sind hohe Datenraten existenziell wichtig. Außerdem

wurde die Übertragung auf den Computer um einiges beschleunigt. SDHC-Karten ver-

wenden hauptsächlich das neuere Dateisystem FAT32.24

SDXC

Die SDXC Spezifikation (SD eXtended Capacity, SD 3.0) wurde 2009 auf der Consumer

Electronics Show (CES) von der SD Association als Nachfolger von SDHC vorgestellt. Die

SDXC-Karte soll eine Speicherkapazität von 2 Terabyte (2.048 GB) und Übertragungsge-

schwindigkeiten von 104MB/s bis hin zu 300 MB/s erreichen.25 Als Dateisystem wird

das neue von Microsoft entwickelte exFAT eingesetzt. ExFAT ist für den Flash-Speicher

optimiert und wird von Windows (XP, Vista und 7) unterstützt. Für die Abwärtskompa-

tibilität kann natürlich auch ein anderes Dateisystem gewählt werden. Zwar kann eine

Speicherkarte mit den meisten Dateisystemen formatiert werden, die Verteilungsalgo-

23

(Panasonic Marketing Europe GmbH, Moesing, Silke, 2009) 24


(SD Association Announces SDXC, 2010)

- 11 -

rithmen (vgl. Abschnitt 3.1.3 Defektmanagement) einiger Controller sind allerdings auf

bestimmte Dateisysteme optimiert.26

Durch das gestiegene Datenaufkommen, durch größere Datenmengen und höhere

Datenraten, reichen die Transferraten von USB 2.0 nicht mehr. Für die Datenübertra-

gung wird das neue USB 3.0 empfohlen. 27

Abbildung 3 – SDXC-Karte (Originalgröße)28

Die erste SDX- Speicherkarte wird von Panasonic für Februar 2010 angekündigt. Durch

die Kapazitäten von 48 GB und 64 GB sollen Videoaufnahmen im AVCHD-Format keine

Grenzen mehr gesetzt werden. Vor allem durch die Geschwindigkeitsklasse 10, die eine

Datentransferrate von bis zu 22 MB/s ermöglicht, werden zum Beispiel bei der Auf-

nahme von Fotoserien neue Möglichkeiten eröffnet. Auch bei Digitalfotos im professi-

onellen Bereich, bei denen das nicht komprimierte und somit speicherintensive RAW-

Format sehr oft verwendet wird, werden die neuen SDXC-Karten die erste Wahl sein.29

Aufgrund der Spezifikation SD 3.0 werden die SDXC Karten mit der Speichkapazität von

bis zu 2 Terabyte den Umgang mit Daten und deren Nutzung auf entsprechenden End-

geräten völlig verändern (vgl. Kapitel 4 - Anwendungen in der Zukunft).

SSD

Ein Solid State Drive (SSD) ist ein Speichermedium, das wie eine konventionelle magne-

tische Festplatte (Hard Disk Drive - HDD) eingebaut und angesprochen werden kann.

Ein SSD besteht nur aus Halbleiterspeicherbausteinen und enthält keine beweglichen

Teile. Vorteile eines SSD sind mechanische Robustheit, kurze Zugriffszeiten, niedriger

Energieverbrauch und das Fehlen jeglicher Geräuschentwicklung. Der Hauptnachteil ist

derzeit ein hoher Preis gegenüber HDD mit gleicher Kapazität. Außerdem sind heute

26



(Panasonic Marketing Europe GmbH, Moesing, Silke, 2010) 29


- 12 -

SSD nicht mit so hohen Kapazitäten wie Festplatten verfügbar. Es werden bereits SSDs

mit einer Kapazität von bis zu einem Terabyte angeboten.30

1978 wurde das erste RAM-basierte SSD von StorageTek vorgestellt.31 MSystems führ-

te 1995 die erste Flash-basierte SSD ein.32

Die ersten SSDs bestanden aus herkömmlichen Speicherbausteinen, wie sie auch als

Arbeitsspeicher im PC dienen. Eine Pufferbatterie sorgte dafür, dass der Inhalt der SSD

auch beim Ausschalten des Computers erhalten blieb. SSDs wurden ursprünglich für

Computer entwickelt, für die herkömmliche Festplatten zu langsam oder zu empfind-

lich waren, beispielsweise für den Einsatz in Hochleistungs-Servern und beim Militär.

Denn dort müssen Server mit großen Datenbanken viele tausend Abfragen gleichzeitig

bearbeiten.33

Bei einer SSD werden zwei Typen unterschieden: SSD mit SDRAMs Speicherchips – hier

nicht weiter betrachtet - und SSD mit Flash-basierten Speichern. Darüber hinaus wer-

den auch Hybridlösungen angeboten. Die Hybridfestplatte (Hybrid Hard Drive, HHD)

kombiniert eine herkömmliche Festplatte mit einem Flash-Speicher, sodass ebenfalls

höhere Geschwindigkeiten erreicht werden können.

Die Hersteller versichern, dass SSDs die Daten mindestens 10 Jahre lang sichern. Vor

allem in Anwendungsgebieten, in denen Schmutz, Erschütterungen sowie Druck-

schwankungen, Temperatur und Magnetfelder (Raumfahrt) den Einsatz mechanischer

Platten verhindern spielen sie eine wichtige Rolle.34

In mobilen Geräten wie den Netbooks werden immer öfter SSDs eingesetzt. Das der-

zeit bekannteste Beispiel für die Verwendung der SSD ist das neustes Produkt von App-

le, das iPad. Ein durch Multi-Touch zu bedienender Tablet PC, der als einziges Spei-

chermedium eine SSD verwendet. Durch die vielen Appel-Produkte ist Apple zu einer

der wichtigsten Großabnehmer von SSDs geworden.35

Durch die fehlenden beweglichen Teile wird keine Kühlung benötigt und es kommt zu

keiner Geräuschentwicklung. Eine SSD ist daher in hohem Masse schockresistent.

In der Entwicklung befinden sich bereits MLC-X3 und MLC-X4-Zellen, die statt 2 Bit pro

Zelle 3 oder 4 Bit speichern können (vgl. zu SLC und MLC Absatz 3.1.2 Architekturen).

30

(Solid-state drive, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010) 31

(Akyildiz, Özgür, Seminar Datenspeichermedien, RAM-SSD Speicher, 2008) 32

(Solid State Drive, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010) 33

(Schulz, Sven, Alles über SSD, 2009) 34


(Apple Inc., iPad, 2010)

- 13 -

Auf diese Weise lässt sich der Speicherplatz einer SSD bei gleicher Baugröße erhöhen.

Als Folge werden die Preise von SSDs deutlich sinken.36 Aufgrund der höheren Trans-

ferraten der SSD gegenüber den Festplatten und durch den Preisverfall stehen beide

Speichermedien in direkter Konkurrenz. Die Festplatten in Computersystemen werden

zuerst ergänzt, später vielleicht sogar ersetzt.

3 Anwendungen heute

3.1 Funktionsprinzip

3.1.1 Lesen, Speichern und Löschen

Der Flash-Speicher ist eine Weiterentwicklung des EEPROM und nutzt den Fowler-

Nordheim-Tunneleffekt, einen Effekt aus der Quantenphysik in Halbleitern. Im Gegen-

satz zu den EEPROMs können bei Flash-EEPROMs je nach Bauform einzelne Speicher-

adressen direkt gelesen oder beschrieben werden, jedoch lassen sich nur ganze Spei-

cherblöcke auf einmal löschen. Dadurch werden viele Verdrahtungen eingespart und

eine höhere Speicherdichte wird ermöglicht.37 Der Aufbau einer Flash-Zelle ist ver-

gleichbar mit dem Aufbau eines MOSFET-Transistors - 1959 von Dr. Dawon Kahng ent-

wickelt, US-Patent 3102230.38 Die Flash-Zellen besitzen jedoch unterhalb des Control

Gate eine eingebaute „Ladungsfalle“, das Floating Gate.

Ähnlich dem Kondensator einer RAM-Speicherzelle speichert das Floating Gate eine

elektrische Ladung. Das Floating Gate ist von allen Seiten mit einer isolierenden Oxid-

schicht umgeben, die das Abfließen der Ladung verhindert.39 Control Gate und Bulk

bilden zusammen einen Kondensator. Der Anschluss Bulk ist meist mit Massepotential

verbunden.40

36


(Koppe, Tristan, Verbesserung der elektronischen Auslese von Photoelektronenvervielfachern für den

Bachelorpraktikumsversuch E4 (Kamiokanne), 2009) 38

(Europäisches Patentamt, US-Patent 3102230, 2010) 39

(Benz, Benjamin; Feddern, Boi; Festplatte ade – Wie Flash-Speicher allmählich den PC erobert., 2007) 40

(Floating-Gate-Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

Abbildung 4 – Lesen,

Abbildung 5 - Lesen,

Zum besseren Verständnis wird im Folgenden angenommen:

logisch 1 = Ladung, logisch 0 = k

Ob der geladene oder ungeladene Flo

„logisch 1“ der Speicherzelle angesehen wird, ist implementierungsabhängig.

Durch die im Floating Gate eingebrachte Ladung

des Transistors in einem niederohmigen Zustan

Gate ist die Drain-Source

41

(Benz, Benjamin, Erinnerungskarten 42


(Flash-Speicher, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

- 14 -

Lesen, Flash Zelle keine Ladung (logisch 0)41

Lesen, Flash Zelle Ladung (logisch 1)42

Zum besseren Verständnis wird im Folgenden angenommen:

ogisch 1 = Ladung, logisch 0 = keine Ladung

Ob der geladene oder ungeladene Floating-Gate-Zustand als jeweils „logisch

der Speicherzelle angesehen wird, ist implementierungsabhängig.

m Floating Gate eingebrachte Ladung befindet sich die Drain

des Transistors in einem niederohmigen Zustand. Bei fehlender Ladung i

Source-Strecke hingegen hochohmig. Mit diesen beiden Zuständen

(Benz, Benjamin, Erinnerungskarten – Die Technik der Flash-Speicherkarten., 2006)


Speicher, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

Zustand als jeweils „logisch 0“ oder

der Speicherzelle angesehen wird, ist implementierungsabhängig.43

die Drain-Source-Strecke

d. Bei fehlender Ladung im Floating

Strecke hingegen hochohmig. Mit diesen beiden Zuständen

Speicherkarten., 2006)


kann im einfachsten Fall die Informationsmenge von einem

werden.44

Beim Lesen einer einzelnen Flash

bewirkt die Ladung auf dem Floating Gate durch ihr elektrisches Feld einen leitenden

Kanal zwischen Source und

Entweder es fließt ein Strom (logisch 1) oder eben nicht (logisch 0).

Abbildung 6 - Schreiben, in den Zustand Ladung bringen (logisch 1

Beim Schreiben erhält

Fowler-Nordheim-Tunneleff

dungsträger vom Source durch die

muss zwischen Control

bis 13 Volt angelegt werden

Zustand Ladung (logisch 1) versetzen, aber nicht wieder einzeln zurück.

bleibt durch die vollständige Isolation

Beim Löschen, wird eine hohe neg

der aus dem Floating Gate heraus

Source (logisch 0).

Gelöscht wird großflächig in ganzen Blöcken, das Schreiben geschieht dagegen selektiv

pro Zelle. Da sich Flash

nen, die vorhandene Daten verändern, aufwendiger als Lesezugriffe. Bei jedem Lösch

44

(Floating-Gate-Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)45


(Fowler, Ralph Howard; Nordheim, Lothar Wolfgang: Electron Emission in Intense Electric Fields,

London 1928)

- 15 -

kann im einfachsten Fall die Informationsmenge von einem Bit permanent gespeichert

einer einzelnen Flash-Zelle mit geringer Spannung, üblicherweise 3,3 Volt,


Source und Drain (logisch 1). (vgl. Abbildung 5)

ein Strom (logisch 1) oder eben nicht (logisch 0).

Schreiben, in den Zustand Ladung bringen (logisch 1

erhält das Floating Gate eine Ladung. Dabei bedient man sich

Tunneleffekt, ein quantenmechanischer Effekt.

dungsträger vom Source durch die Oxidschicht auf das Floating Gate

zwischen Control- und Source- Gate eine recht hohe positive Spannung von

angelegt werden. Beim Schreiben kann man dann jede einzelne Zelle in den

Zustand Ladung (logisch 1) versetzen, aber nicht wieder einzeln zurück.

durch die vollständige Isolation im Floating Gate über viele Jahre erhalten.

wird eine hohe negative Spannung angelegt, die die Ladungsträger wi

g Gate heraus drängt – kein leitender Kanal zwischen Drain und


h Flash-Speicher nur in Blöcken löschen lassen, sind Schreiboperati

nen, die vorhandene Daten verändern, aufwendiger als Lesezugriffe. Bei jedem Lösch

Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)



permanent gespeichert

mit geringer Spannung, üblicherweise 3,3 Volt,


ein Strom (logisch 1) oder eben nicht (logisch 0).

Schreiben, in den Zustand Ladung bringen (logisch 1)45

bedient man sich dem

ekt, ein quantenmechanischer Effekt.46 Damit einige La-

schicht auf das Floating Gate tunneln können,

positive Spannung von 10

Beim Schreiben kann man dann jede einzelne Zelle in den

Zustand Ladung (logisch 1) versetzen, aber nicht wieder einzeln zurück. Die Ladung

über viele Jahre erhalten.

ative Spannung angelegt, die die Ladungsträger wie-

Kanal zwischen Drain und


Speicher nur in Blöcken löschen lassen, sind Schreiboperatio-

nen, die vorhandene Daten verändern, aufwendiger als Lesezugriffe. Bei jedem Lösch-



- 16 -

und Schreibvorgang, also beim Tunneln, wird die Zelle leicht beschädigt (Degenerati-

on).47

Bei Schreiboperationen, die vorhandene Daten verändern, wird zuerst der ganze Block

in einen Puffer gelesen, um dann die Daten im Puffer zu verändern und komplett in

einen freien Block zu schreiben.

Ausnahme: Wenn leere, also bereits gelöschte, Zellen befüllt werden, kann der Lösch-

Vorgang entfallen. Diese Eigenart erklärt die teils deutlichen Unterschiede zwischen

Schreib- und Leserate bei Flash-Speichern.48

Tunneleffekt

Der Tunneleffekt ist ein Effekt aus der Quantenphysik und ist mit der klassischen Phy-

sik nicht zu erklären. In der klassischen Physik wird der Vorgang einer Kugel, die einen

Berg überrollen soll, mit einem Energiepotenzial, das dafür aufgebracht werden muss,

ausgedrückt. Wenn das Energiepotenzial nicht ausreicht, kann die Kugel den Berg nicht

überwinden. Sie rollt den Berg wieder herunter.

In der Quantenphysik muss vergleichbar ein atomares Teilchen nicht den „Berg“ über-

winden, um die andere Seite zu erreichen. Denn das atomare Teilchen kann auch dann

die Barriere überwinden, wenn seine Energie geringer als die Höhe der Barriere ist.

Das atomare Teilchen wechselt/ springt auf die andere Seite der Barriere. Dabei spricht

man vom Tunneln. Durch den Tunneleffekt kann ein Elektron sogar eine Wand durch-

dringen. Was für uns im realen Leben unvorstellbar ist, ist für die Funktionsweise des

Flash-Speichers existentiell wichtig. Denn durch den speziellen Fowler-Nordheim-

Tunneleffekt können Elektronen den eigentlichen Nichtleiter passieren und auf das

Floating-Gate gebracht werden. Der Tunneleffekt ist mit einer Wahrscheinlichkeit ver-

bunden, die sehr gering aber endlich ist. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen wird

eine hohe positive bzw. negative (10-18 V) Spannung angelegt.49

47



(Tunneleffekt, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

- 17 -

3.1.2 Architekturen

Der grundsätzliche Aufbau einer Flash-Speicherkarte und einer SSD besteht aus Flash-

Speichern und einem Controllership. Aufgrund der Architektur werden zwei Arten von

Flash-Speichern unterschieden: NOR- und NAND-Schaltungen.

Bei NOR-Flash sind die einzelnen Zellen parallel (OR) in einem Gitter aus Word- und

Bit-Lines angeordnet und können direkt gelesen werden. Sie eignen sich daher für Pro-

grammspeicher von Mikroprozessoren. NOR-Flash ist jedoch relativ teuer und hat eine

geringe Speicherdichte.

NAND-Flash kommt mit deutlich weniger Chipfläche aus, da viele Transistoren in Reihe

(AND) geschaltet sind. Soll eine einzelne Zelle ausgelesen werden, muss man vorher

alle anderen Zellen in der Kette auf leitend schalten. Dazu wird an die nicht gefragten

Transistoren eine Offset-Spannung angelegt, um sie durchzuschalten. Ein direktes Aus-

lesen des NAND-Flashs ist also nicht möglich. NAND-Flash wird daher blockweise über

interne Register, die die Adressierungsdetails realisieren, angesprochen.

Alle aktuellen Flash-Speicherkarten setzen aus Kosten- und Kapazitätsgründen auf

NAND-Flash. Nur einige der ersten CompactFlash-Karten (vgl. 2.1.2 Flash-

Speicherarten) basierten auf dem teuren NOR-Speicher. Moderne NAND-Flash-Zellen,

so genannte Multi Level Cells (MLC), speichern nicht nur ein Bit (Single Level Cell (SLC)),

sondern gleich zwei oder vier Bit pro Zelle. Die Speicherdichte steigt somit deutlich

gegenüber NOR-FLASH. Für MLC gibt es verschiedene Techniken. Entweder werden

durch unterschiedliche Stromstärken verschiedene Zustände dargestellt oder es wer-

den mehrere Floating Gates platzsparend innerhalb einer Zelle platziert. Deshalb un-

terscheiden sich beim Lesen und Schreiben MLC-Flash-Speicher vom SLC-Flash-

Speicher.50 Eine SD-Karte benötigt bei einer Speicherkapazität von 4 GB über 35 Milli-

arden Floating-Gate-Transistoren.51

3.1.3 Defektmanagement

Die Lebensdauer von konventionellen Festplatten wird hauptsächlich durch die Abnut-

zung der Mechanik beeinflusst. Auch Flash-Speicher verschleißen mit der Zeit, obwohl

hier keine beweglichen Teile vorhanden sind. Beim Flash-Speicher wirkt der Tunnelef-

50


(Floating-Gate-Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

- 18 -

fekt begrenzend auf die Lebensdauer. Durch das Tunneln der Elektronen durch die

nichtleitende Oxidschicht wird diese beschädigt (Degeneration). Im schlimmsten Fall

entsteht ein Loch und die elektrische Ladung fließt vom Flash-Speicher ab. Die Infor-

mationen, die auf dem Flash-Speicher gespeichert sind, gehen verloren.

Deshalb gibt es theoretisch eine maximale Anzahl an Löschzyklen für jede einzelne

Zelle. Hersteller geben heute maximal 100.000 bis 5 Millionen Löschzyklen an. Danach

kann die Zelle nur noch gelesen werden. Dennoch ist die Anzahl der Löschzyklen nicht

genau zu ermitteln.52

Lesevorgänge sind hingegen unbegrenzt möglich, da hierbei kein Tunneleffekt auftritt.

Die Blockgröße bei NAND-Flash ist deutlich kleiner als bei NOR, sodass der einzelne

Block seltener gelöscht werden muss.53

In der Praxis traten selbst nach 16 Millionen Mal Beschreiben eines USB-Sticks keinerlei

Fehler auf. Dies funktioniert vor allem durch das ausgeklügelte Defektmanagement,

das von jedem Unternehmen streng geheim gehalten wird. 54

Für das Endgerät ist das Defektmanagement weder sichtbar noch beeinflussbar.

In der Regel verfügen Speicherkarten über einen Controller, der sich nicht nur um die

Ansteuerung des Speichers kümmert, sondern auch das Defektmanagement und die

gleichmäßige Verteilung der Daten über die Blöcke übernimmt.

Das Defektmanagement umfasst Wear-Levelling Algorithmen, Fehlerkorrektur Mana-

gement und Bad Block Management.

Die Strategie des Wear-Levelling-Algorithmen (Verschleiß Nivellierung) ist es, die

Schreib- und Löschaktionen möglichst gleichmäßig über den gesamten Speicherbereich

eines Flash-Speichers zu verteilen.55

Der Controller des Flash-Speichers verteilt Schreibvorgänge auf alle Speicherzellen so,

dass jede möglichst gleich häufig beschrieben wird. Sollen zum Beispiel die ersten drei

Speicherblöcke beschrieben werden, kann es passieren, dass die Steuerelektronik

stattdessen die Blöcke 1, 4 und 6 auswählt.

Der Controller spricht immer ganze Blöcke an. Beim Schreiben/ Löschen werden die

Blöcke zu einem Erasable Block zusammengefasst. Dieser enthält 32 oder 64 Blöcke.

Bei jeder Änderung in einem seiner Blöcke wird dieser zunächst nicht gelöscht, son-

52




(Flash-Speicher, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

- 19 -

dern als nicht-aktuell markiert. Geschrieben wird in den nächsten freien Block dessel-

ben Erasable Block. Erst, wenn alle seine Blöcke nicht-aktuell sind, wird er einmal kom-

plett gelöscht.

Bei Controllern kommen verschiedene Wear-Levelling-Algorithmen zum Einsatz.

Der Dynamic Wear Levelling Algorithmus wählt den Erasable Block zum Beschreiben

aus, welcher noch nicht belegte ist und am wenigsten „abgenutzt“ ist. Dies ist ver-

gleichsweise einfach im Controller umzusetzen. Es hat den Nachteil, dass bei wenig

freiem Speicherplatz der Flash-Speicher schneller abgenutzt wird. Die möglichen

Schreibzyklen steigen um den Faktor 25 gegenüber fehlendem Wear-Levelling.

Der Static Wear Levelling Algorithmus wählt den Erasable Block zum Beschreiben aus,

welcher am wenigsten abgenutzt ist. Ist dieser schon belegt, werden dessen Daten auf

einen anderen umverlagert und dann die neuen Daten geschrieben. Dies erfordert

einen etwas komplexeren Controller, führt aber zu sehr gleichmäßiger Abnutzung. Die

möglichen Schreibzyklen steigen um den Faktor 100 gegenüber fehlendem Wear-

Levelling.56

Der Controller ist auch für das Fehlerkorrektur Management verantwortlich.

Jeder Block enthält dabei auch Prüfsummen, mit denen sich Bitfehler rekonstruieren

lassen. Erkennt der Controller einen solchen Fehler, rekonstruiert er die verlorenen

Bits aus den Prüfsummen und transferiert die Daten in einen intakten Reserveblock.

Der defekte Block wird ab da an nicht mehr genutzt.57

Damit der Flash-Speicher nicht unbrauchbar wird, wenn eine Zelle zerstört ist, ist ein

Bad Block Management entwickelt worden. Bei einem Ausfall einer einzelnen Zelle

wird diese durch die rund zwei bis vier Prozent Reserveblöcke ersetzt, wie auch bei

konventionellen Festplatten. Solange der Reservebereich nicht erschöpft ist, kann der

Speicher ohne Einschränkungen weiter benutzt werden. Wenn keine Reserveblöcke

mehr verfügbar sind, geht der Flash-Speicher sicherheitshalber in einen Nur-Lese-

Modus über. Diese Fehlererkennung wird in einem geschützten Bereich des Speichers

protokolliert.

Durch das Defektmanagement nähern sich die Flash-Speicher der Lebensdauer von

konventionellen Festplatten an bzw. übertreffen diese sogar. 58

56



(Solid State Drive, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)

- 20 -

3.2 Neue Möglichkeiten

3.2.1 Datenzugriff

Flash-Speicher besitzt keine beweglichen Teile, wodurch eine sehr kurze Zugriffszeit

ermöglicht wird. Vor allem SSDs werden immer mehr im Desktop- und Notebook-

Bereich verwendet. Denn diese sind schneller als konventionelle Festplatten und besit-

zen eine hohe Datendichte von 139 GB/cm³. Durch den Tempogewinn, wird der Start

und das Herunterfahren des Betriebssystems um rund 20 Prozent beschleunigt. Au-

ßerdem ist das Starten von Programmen und Anwendungen, wo immer Zugriffszeiten

eine Rolle spielen, zwei- bis dreimal schneller als bei konventionellen Festplatten. Da-

durch steht der Flash-Speicher als nichtflüchtiges Speichermedium in direkter Konkur-

renz mit Festplatten und optischen Speichern wie CDs, DVDs, Blu-rays.

Eine langsame Kamera oder ein USB-1.1-Kartenleser wirken auf Flash-Speicher wie

eine Datenbremse. Um die Transferrate der Flash-Speicher optimal zu nutzen, muss

die Schnittstelle berücksichtigt werden. Daher werden heute USB 3.0, eSATA und PCIe

empfohlen.59

Der Datenzugriff bei SSD erfolgt in einer zehntel Millisekunde. Bei einer herkömmli-

chen Festplatte muss dagegen erst die Mechanik den Schreib-/Lesekopf über die Stelle

schwenken, an der Daten gelesen oder geschrieben werden sollen. Standardfestplat-

ten brauchen daher etwa 10 bis 15 Millisekunden. Sie sind beim Datenzugriff also rund

hundert Mal langsamer als eine SSD.

Die SSDs sind den Festplatten beim gleichzeitigen Lesen und Schreiben (Multitasking)

und bei reinen Lesevorgängen überlegen. Moderne SSDs erreichen deutlich höhere

Datenraten als Festplatten. Aktuelle Profi-Modelle für den Einsatz in Servern können

mehr als 1 Gigabyte pro Sekunde übertragen. Der Trick: die Steuerelektronik verwen-

det alle Speicherbausteine – meist acht oder zehn – gleichzeitig. Das beschleunigt die

Datenübertragung. Die neusten SSDs sind mit einem 10-Kanal-Controller ausgestattet.

Bei Festplatten kann dagegen immer nur ein Schreib-/Lesekopf arbeiten. Zudem hängt

das Tempo von der Drehzahl und dem Durchmesser der Magnetscheiben ab: Je höher

die Drehzahl und je größer der Durchmesser, desto schneller ist die Platte. Daher sind

2,5- Zoll-Festplatten meist spürbar langsamer als 3,5-Zoll-Modelle. Eine schnelle SSD

59


- 21 -

lässt sich dagegen sogar im 1,8-Zoll-Miniformat bauen, ohne dass die Geschwindigkeit

leidet.

Die aufwendige Steuerelektronik moderner SSDs sorgt dafür, dass die Laufwerke um

ein Vielfaches schneller arbeiten als Flash-Speicherkarten. Selbst die schnellsten Fest-

platten können nicht mit dem Tempo einer modernen SSD mithalten.60

Bei einer geringen Restkapazität an SSD-Speicherplatz, tritt das ähnliche Phänomen

auf, wie bei den konventionellen Festplatten. Durch die Suche nach freiem Speicher-

platz, verringert sich die Performance.

Die Wear-Levelling Algorithmen „bremsen“ die SSD ebenfalls bezogen auf Zugriffszei-

ten erheblich, obwohl das Laufwerk intern im vom Hersteller angegebenen Tempo

Blöcke schreibt. Dieser Effekt wird „Write Amplification“ genannt. Demzufolge wird

das Schreiben umso schneller, je mehr das zu schreibende Datenvolumen der Block-

größe entspricht. Mehrere Megabyte werden so tatsächlich mit der angegebenen

Transferrate geschrieben, denn hier werden alle Bytes in den Blöcken geändert. Der

„Write Amplification“ Effekt verstärkt bei den SSDs die Performance-Verluste bei ge-

ringer Restkapazität an Speicherplatz, sodass die Gesamtleistung dann um etwa ein

Drittel sinkt.

SSD Flash-Laufwerk Festplatte

1,0″ bis 3,5″ 1,0″ bis 3,5″

Größe bis 1,5 TB bis 2 TB

Preis pro GB ab 1,39 € ab 0,055 €

Anschluss S-ATA, P-ATA S-ATA, P-ATA, SCSI, SAS

Lesen bis 510 MB/s bis 150 MB/s

Schreiben bis 480 MB/s bis 150 MB/s

Mittlere Zugriffszeit lesen 0,2 ms ab 3,5 ms

Mittlere Zugriffszeit schreiben 0,4 ms ab 3,5 ms

Überschreibbar 0,1 bis 5 Millionen Mal „beliebig“

lagerbar bei −55 bis 95 °C −40 bis 70 °C

stoßfest – Betrieb 1500 g 60 g

stoßfest – Lagerung 1500 g 350 g

Verbrauch – Ruhe 0,05 – 1,3 W 4 W und höher

Verbrauch – Zugriff 0,5 – 3 W 6 W und höher

geräuschlos ja nein

Tabelle 2- SSD Flash vs. Festplatte61

60



- 22 -

SLC Speicher schreiben gegenüber MLC Speichern dreimal schneller, lesend sind beide

vergleichbar schnell. NAND-Flash Speicher schreiben gegenüber NOR-Flash Speichern

viermal schneller, lesend sind NAND-Flash Speicher fünfmal langsamer als NOR-Flash

Speicher. 62

Eine Defragmentierung ist bei Flash-Speichern aufgrund der marginalen Lese-Zugriffs-

zeiten nicht notwendig. Eine Defragmentierung verkürzt sogar die Lebensdauer von

Flash-Speichern wesentlich durch erhebliche Degeneration. 63

3.2.2 Systemintegration

Systemintegration wird hier als die Möglichkeit verstanden, Daten über Systemgrenzen

hinweg durch Austausch der Daten zwischen verschiedenen Endgeräten zu nutzen.

Durch die Systemintegration wird die mobile Verwendung von Daten wesentlich ver-

einfacht.

Speziell die SD-Karten mit ihren Formaten SD, SDHC und SDXC erlangen große Bedeu-

tung als Systemintegrationskomponenten.

Die SD-Karten können in einer Vielzahl von Endgeräten als Datenspeicher eingesetzt

werden: Kamera, Camcorder, MP3, Handy, Navigation, TV, Computer, DVD-Player,

Drucker, PDA, etc..

Die SDs ermöglichen den beliebigen Austausch von Informationen zwischen all den

möglichen Endgeräten, die über eine SD-Karten-Schnittstelle verfügen. Der Austausch

ist nur bezogen auf das Datenvolumen der SD-Karte selbst beschränkt. Weiterhin muss

der Anwender das maximal definierte Format – SD, SDHC oder SDXC – für die Schnitt-

stelle des Endgerätes berücksichtigen, d.h. SD-Karten können alle SD-Endgeräte-

Schnittstellen nutzen. Mit dem Format SDHC definierte Endgeräte-Schnittstellen kön-

nen Daten von SD und SDHC-Karten verarbeiten; mit dem Format SDXC definierte End-

geräte-Schnittstellen können aufgrund der Abwärtskompatibilität Daten von SDXC-,

SDHC- und SD-Daten verarbeiten.

Insbesondere durch die weltweit einheitlichen Spezifikationen SD1.0, SD2.0 und SD3.0

der SD Card Association mit ihren über 1000 Mitgliedern sind SD-Karten als Standard

beim Endgeräte-Anbieter und Anwender beliebt geworden. Der Marktanteil von SD-

Karten beträgt heute über 80%, d.h. wurden bereits weltweit 2,5 Mrd. SD-Karten ver-

62



- 23 -

kauft. Genau durch diese Akzeptanz kommt es zu der praxisrelevanten Systemintegra-

tion. Der Preisverfall bei SD-Karten allgemein hat ebenfalls die Beliebtheit beim An-

wender erhöht.64

Bei Computern wird die Systemintegration von Flash-Speicherkarten zusätzlich unter-

stützt. Die heutigen Rechner verfügen fast immer über eine Multi-Karten-Schnittstelle

und ermöglichen so den Datenaustausch mit den heute maßgeblichen Flash-

Speicherkarten wie CompactFlash, MMC und SD-Karten, sowie USB-Sticks über USB.

3.2.3 Energieeffizienz

Elektromotoren bewegen die Magnetscheiben und die Schreib-/Leseköpfe bei den

Festplatten. Ohne bewegliche Teile wird viel Energie gespart, die den Flash-Speicher

sehr energieeffizient macht. Vor allem bei mobilen Geräten wie Handy, MP3-Player,

Digitalkamera, Camcorder und Navigationsgerät ist ein geringer Energieverbrauch des

Speichermediums sehr wichtig. Denn das Speichermedium beeinflusst die Akkulaufzeit

und somit die Verwendungszeit ohne Stromanschluss des Gerätes. Es kommt nur zu

einer geringen Wärmeentwicklung, durch die Energie verloren geht. So muss keine

Kühlung vorhanden sein, die zusätzlich Energie benötigt. Außerdem werden die Geräte

durch Flash-Speicher leichter und kleiner, trotz immer größer werdender Datendichte.

Insgesamt wird sehr wenig Energie verbraucht, wodurch der Flash-Speicher als nicht-

flüchtiges Speichermedium in direkte Konkurrenz mit Festplatten und optischen Spei-

chern wie CDs, DVDs, Blu-rays tritt. Mit Flash-Speichern kann somit die Akkulaufzeit

von Notebooks bzw. Netbooks erheblich verlängert werden. (vgl. Tabelle 2- SSD Flash

vs. Festplatte)

3.2.4 Sicherheit

Im Folgenden werden unter dem Begriff Sicherheit die Themen Robustheit, Gefahren

und Haltbarkeit bei Flash-Speicherkarten behandelt.

Massive äußere Einflüsse wie Staub, Stöße, Druck- und Temperaturschwankungen,

sogar Magnetfeldänderungen machen den Einsatz von Festplatten unmöglich. Flash-

64

(SD Card Association, 2010)

- 24 -

Speicher erfüllen all diese Anforderungen und erreichen ohne bewegliche Teile eine

hohe Schocktoleranz.65

Somit besitzen Flash-Speicherkarten eine viel höhere Ausfallsicherheit als alle anderen

nichtflüchtigen Speichermedien.

Die einzige Fehleranfälligkeit beim Flash-Speicher ist, dass durch Schreib- und Löschzu-

griffe die Sektoren leicht beschädigt werden und mit der Zeit nicht mehr beschrieben

werden könnten. Das Lesen der Daten wird trotz eines Datenfehlers in der Regel mög-

lich sein. (vgl. Abschnitt 3.1.3 Defektmanagement)

Die allgemeine Haltbarkeit der Daten wird von den Herstellern der SD-Karten mit 10

Jahren angegeben und garantiert.

Bei den dargestellten Wear-Levelling-Verfahren ist das „sichere Löschen“ nicht mehr

durchführbar. Erst wenn bei einem Controller die Nutzungsverteilung vorübergehend

abschaltbar ist, kann ein „Secure Erase“ realisiert werden. Derartige Lösungen werden

bereits von US-Airforce- und Navy genutzt.66

Einige Hersteller von Flash-Speicherkarten, beispielsweise Panasonic, unterziehen ihre

SD-Karten einem Belastungstest. (vgl. Abbildung 7)

Dreh-Test Biege-Test

SD Standard > 0.15N・m

Panasonic Standard > 0.3N・m

SD Standard > 10N

Panasonic Standard > 20N

Abbildung 7 - Dreh- und Biege-Test67

Gefahren bestehen aufgrund der kleinen Abmessungen insbesondere im Verlieren der

Speicherkarte und damit der komplette Datenverlust. Auch der einfache Diebstahl

großer Datenvolumen von bis zu 2 Terabyte stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.

65




- 25 -

4 Anwendungen in der Zukunft 4.1 Neuer Umgang mit dem Computer

Nach Meinung des Verfassers wird durch die immer größer werdende Datendichte bei

Flash-Speicherkarten ein Wandel im Umgang mit Computern stattfinden. Betriebssys-

teme und Anwendungen werden sich ändern müssen; die Informatik wird sich zum Teil

neu ausrichten.

Vorausgesetzt die SDXC Spezifikation wird vollständig erreicht, wird es in einigen Jah-

ren einen neuen Umgang mit dem Computer geben. Da jeder neue Computer ein Kar-

tenlesegerät besitzt und die kommenden SDXC-Karten eine Speichergröße von bis zu

2 Terabyte mit einer Datenrate bis zu 300 MB/s erreichen können, hätte man jederzeit

eine Festplatte mit sehr kleinen Abmessungen bei großem Datenvolumen verfügbar.

Der große Vorteil dabei ist, dass die Karte nicht verkabelt werden muss, sondern kin-

derleicht in das Kartenlesegerät gesteckt wird (Plug and Play). Außerdem muss man

sich keine Sorgen mehr um einen Stromanschluss oder eine Kühlung machen. Diese

Karte ist trotz großem Datenvolumen sehr schnell und leicht zu transportieren. Es wird

möglich sein, Anwendungen, Benutzer und Betriebssysteme auf einer Karte zu spei-

chern. Denn so kann jeder Benutzer sein bevorzugtes Betriebssystem und seine per-

sönliche Arbeitsumgebung einsetzen, wobei er gleichzeitig keinerlei Daten im PC hin-

terlässt, da er die „Festplatte“ einfach mitnimmt. Zusätzlich sind SD-Karten viel robus-

ter und handlicher als ihre „Vorfahren“, die Festplatten im Wechselrahmen.

Die Computer würden nur noch so konzipiert, dass sie ohne Festplatte funktionieren

und von der hineingeschoben SD-Karte booten. PCs wären somit anders aufgebaut als

heute und könnten sogar preisgünstiger angeboten werden. Computer ohne Festplatte

würden nur ein Gerät darstellen, welches durch ein anderes ersetzt werden kann. Man

wäre also von seinem Computergerät nicht mehr abhängig, sondern immer und überall

flexibel. Man könnte überall arbeiten. So könnte man sich beispielsweise vorstellen,

dass es Computer wie Telefonzellen gibt, in die man seine SD-Karte schiebt und dann

arbeiten kann oder in Bussen und Bahnen Terminals. Man Könnte seinen gesamten

Computer-Arbeitsplatz immer in der Hosentasche oder am Schlüsselanhänger mit sich

führen. Anderseits besteht dann auch immer die Gefahr des kompletten Datenverlus-

tes, wenn man die Karte verliert.68

68


- 26 -

4.2 Visionen

Die in dieser Facharbeit betrachteten Flash-Speicher haben eine rasante Entwicklung

hinter sich. Die neu entwickelten SDXC-Karten werden zukünftig aufgrund enormen

Datenvolumens, hoher Datentransferrate, hoher Systemintegration, geringen Abmes-

sungen und ihrer Robustheit beim Anwender sehr beliebt werden. Viele neue Anwen-

dungen werden sich daraus entwickeln.

Anwendungen mit großem Datenvolumen wie das Aufnehmen und Abspielen von HD

Videos oder sogar 3D HD Videos werden durch die SDXC Spezifikation auf einfache Art

mobil ermöglicht. Daher werden die SDXC-Karten den Massenmarkt erobern und die

meisten anderen Speichermedien wie CD, DVD und Blu-Ray verdrängen. Eine Ablösung

der USB-Sticks ist ebenfalls denkbar, weil mit dem SDXC-Format eine höhere Geräte-

kompatibilität mit Endgeräten wie Handy, Kamera, Game-Konsole, usw. gegeben ist. In

der Regel besitzen diese Geräte bereits ein Kartenlesegerät. Der im Vergleich große

USB-Stecker der Sticks ist dagegen nur bei relativ großen und stationären Endgeräten

zu finden. SDXC-Karten werden bei entsprechendem Preisverfall überall verwendet

werden. Neue Endgeräte werden sich entwickeln, die prinzipiell über Informationen

verfügen, wie Fahrzeuge, Haushaltsgeräte, etc., bei denen die Daten bisher noch nicht

genutzt werden. Durch einen kleinen Prozessor können die neuen Geräte zukünftig

ebenfalls Daten mit der Speicherkarte austauschen.

Es wird neben dem Internet öffentliche Kiosksysteme geben, bei denen man Medien-

daten einkaufen und auf der Speicherkarte mitnehmen kann.

Durch den Wandel im Umgang mit Computern, werden sich Betriebssysteme, Anwen-

dungen und die Informatik teilweise neu ausrichten. Die Computer, wie wir sie heute

kennen, werden durch die neuen Geräte und SDXC-Karten ersetzt, um damit eine hö-

here Flexibilität zu erreichen.

- 27 -

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Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe

verfasst und keine anderen als die im Literaturverzeichnis angegebenen Hilfsmittel

verwendet habe. Insbesondere versichere ich, dass ich alle wörtlichen und sinngemä-

ßen Übernahmen aus anderen Werken als solche gekennzeichnet habe.

Troisdorf, den 14.03.2010 ____________________________________________

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