Flash-Speicher: Nicht und oder Nicht oder

Wir kennen derzeit im Markt praktisch zwei gängige Flash-Speicher Arten: den NAND (Nicht - Und) und den NOR (Nicht - Oder). Zurückzuführen sind diese Begriffe auf die Digitaltechnik und die logische Grundschaltung dieser Speicher (Gatter). Die Thematik um solche Schaltungen selbst wollen wir in diesem Artikel nicht weiter vertiefen - es würde schlicht den Rahmen sprengen.

De Facto wird NOR Flash-Speicher schon seit längerer Zeit gerne verwendet zur Speicherung und Ausführung von Programm-Codes, eben so wie dies beim BIOS eines Motherboards notwendig ist. Schnelle Lesezyklen und schnelle Byte-weise Speicherungen zeichnen hier den NOR-Speicher aus. Gerade was die Lese-Daten betrifft, kann NOR durchaus bis zu 100 MB/s liefern - so manches Festplatten-Array träumt durchaus von solchen Transferdaten.

Geht es allerdings über das Byte-weise Überschreiben hinaus - werden die Schreibdaten also größer - wird NOR Flash-Speicher eher als langsam eingestuft. NAND Flash-Speicher gilt beim Schreiben und Löschen dagegen deutlich schneller als NOR.

Die Vorteile, welche man der NAND Technologie zudem zuschreibt sind geringere Kosten, geringere Leistungsaufnahme und geringerer Platzbedarf. Ein NAND Flash-Speicher benötigt weniger Wafer-Fläche als NOR bei identischer Kapazität, was sich bei den Herstellern letztlich auf die Kosten der Fertigung auswirkt. Wo es letztlich also machbar ist wird man schlussendlich NAND Flash-Speicher antreffen. Das gilt insbesondere derzeit zu 99% bei USB-Sticks oder Speicherkarten. Dort wo es auf schnelle Ausführung von Speichercode ankommt, wird man vermutlich auch noch künftig NOR Flash-Speicher vorfinden.

Flash-Speicher: Performance

Orientieren wir uns, eben nach vorstehenden Ausführungen, an dem Gros der anzutreffenden Flash-Speicher, insbesondere mit Augenmerk auf USB-Sticks, so darf man sagen, dass in den komfortablen Datentransportern überwiegend (nicht ausschließlich) NAND Flash-Speicher anzutreffen sein wird. Aber auch beim Einsatz von NAND Bausteinen auf solchen Sticks wird man in der Praxis mit derben Unterschieden konfrontiert, geht es um die Leistungsfähigkeit.

Dies hängt zum einen davon ab, ob man auf parallel geschaltete (Multi-Level-Zellen = MLC) oder einzeln geschaltete Flash-Speicher (Single-Level-Zellen = SLC) trifft. Während mit SLC-Zellen nur die Speicherung von 1 Bit pro Zelle ermöglicht werden, können mit MLC 2 Bit pro Transistor gespeichert werden. Das folgende Schaltbild von Samsung soll aber gleich verdeutlichen, dass der Einsatz von MLC langsamer arbeitet, als die Verwendung von SLC.

Ob nun im Stromverbrauch, in der Zugriffszeigt oder bei der Geschwindigkeit der Schreibzugriffe, die MLC-basierenden USB-Sticks gehen in allen Bereichen langsamer zu Werke, als SLC-basierende Modelle. Zudem geht man geringerer Lebenserwartung bei den MLC-Modellen aus. Auf der Gegenseite steht natürlich der Preis. MLC-basierende Modelle sind deutlich günstiger in der Fertigung.

Die Performance von Flash-Speicher ist allerdings nicht nur von diesem Punkt abhängig, sondern eben auch von den verwendeten Speichercontrollern. Aktuelle Flash-Speicher-Controller, wie sie in USB-Sticks zum Einsatz kommen, können in aller Regel im MLC oder SLC-Betrieb arbeiten. Darüber hinaus sind sie allerdings auch in der Lage Flash-Speicher im Zwei-Kanal-Betrieb anzusteuern. Hier sind dann im Dual-Channel-Mode dann bis zu doppelter Performance im Lesen oder Schreiben zu erwarten.

Im Ergebnis werben alle Hersteller, sei es auf Seiten der Flash-Speicher oder auf Seiten der Controller-Hersteller, mit ihrem Produkt und alle weisen auf ihre mögliche Performance hin. Gerade an dieser Stelle scheinen sich aber die Geister zu scheiden.

Bei unserem heutigen Test öffneten wir die Gehäuse von zwei USB-Sticks und trafen auf unterschiedliche Controller-Chips. Einmal warfen wir ein Blick in unseren "AMD" Referenzstick, der in den späteren Vergleichen doch sehr langsam im Bereich Lesen und Schreiben zur Sache geht. Dort trafen wir einen Flash-Speicher-Controller von Chipsbank an.

Dieser Controller ist laut Datenblatt durchaus in der Lage im Ein-Kanal oder Zwei-Kanal Flash-Speicher Betrieb zu arbeiten. Im Dual-Channel Mode spricht der Hersteller von 22 MB/s beim Lesen und 20 MB/s beim Schreiben, im Ein-Kanal-Betrieb von 11 bzw. 10 MB/s. Da der Chip im Ein-Kanal-Betrieb arbeitete, wären die zuletzt genannten Zahlen treffend - in der Praxis konnten wir dies aber nicht antreffen. Für uns sind die angetroffenen Resultate dieses "Referenz-Sticks" ein deutliches Zeichen, dass der Controller zudem mit MLC-basierendem Flash-Speicher arbeiten muss.

Beim Testkandidaten von Super Talent trafen wir einen Flash-Speicher-Controller von Skymedi an. Auch dieser ist in der Lage Flash-Speicher als SLC oder MLC anzusteuern, wobei man im Dual-Channel-Betrieb von 31,1 MB/s beim Lesen und 23,1 MB/s beim Schreiben spricht und im Single-Channel-Betrieb das Datenblatt von 18,9 bzw. 11,3 MB/s spricht.

Zwar konnten wir auch hier keine der genannten Spitzenwerte antreffen, dennoch lagen unsere Messergebnisse deutlich näher an den erwähnten Zahlen, als dies beim Referenzmodell mit Chipsbank Controller der Fall war.

Auf der Gegenseite ist die Liste der offiziell unterstützten Flash-Speicher im Datenblatt von Skymedi deutlich kürzer, als jene von Chipsbank. Skymedi listete lediglich Samsung und Toshiba, während Chipsbank Samsung, Toshiba, Renesas, Infineon, ST Micro und Micron listet.

Es dürfte auf der Hand liegen, dass ein für die Mengenproduktion angedachter Controller-Chip mit einer deutlich erweiterten Supportliste an Flash-Bausteinen eher von vielen Herstellern gewählt wird als ein Controller, welcher hier begrenzt ist. Letztlich könnte es durchaus auch einmal zu Lieferschwierigkeiten beim Flash-Speicher-Hersteller kommen und dann gestaltet es sich für einen Hersteller von USB-Sticks deutlich simpler auf ein lieferbares Produkt einer breiteren Auswahlliste zurückzugreifen.

Dass solche Listen durchaus nur als Empfehlung zu verstehen sind, beweißt dann aber letztlich auch der geöffnete "AMD" USB-Stick. Obgleich die Chipsbank Liste viele Hersteller führt, kam im Stick dennoch ein nicht aufgeführter Flash-Speicher Baustein von Hynix zum Einsatz.

Anmerkung der Redaktion, 01.04.2007: Leider mussten wir in diesem Technik-Teil eine Korrektur vornehmen, da uns ein Fehler in der ursprünglichen Darstellung unterlaufen war. Der MLC-Betrieb ist der langsamere, und im Vergleich zu SLC, der mit Nachteilen befahtete Betriebs-/Aufbau-Modus von Flash-Speicher-Produkten. Wir bitten diesen Fehler zu entschuldigen.