NAND-Flash

Kurz: NAND-Flash ist der Speicher in SSDs, USB-Sticks und SD-Karten. Er speichert Daten als elektrische Ladung in Transistor-Zellen, die auch ohne Strom erhalten bleibt.

Genauer: Jede Zelle ist ein Transistor mit einer isolierten Schicht („Floating Gate” oder Charge-Trap), in der Elektronen gefangen werden. Die Ladungsmenge bestimmt, ob die Zelle als 0 oder 1 gelesen wird. Der Name NAND kommt von der Verschaltung der Zellen in Reihe (wie ein logisches NAND-Gatter).

Im Detail

Wie eine SSD speichert:

• Schreiben (Programmieren): Mit hoher Spannung werden Elektronen durch die Isolierschicht in das Floating Gate „getunnelt”.
• Lesen: Mit einer kleinen Prüfspannung wird gemessen, ob die Zelle leitet. Die Schwellenspannung verrät den Zustand.
• Löschen: Ladung wird wieder herausgezogen, nur blockweise (Block = mehrere MB), während Schreiben seitenweise erfolgt (Page = 4 – 16 KB).
• Keine bewegten Teile: Daher lautlos, stoßfest und mit extrem kurzen Zugriffszeiten.

Zellarten (Bits pro Zelle):

Typ	Bits	Schreibzyklen	Dichte	Geschwindigkeit	Einsatz
SLC	1	~100.000	niedrig	sehr hoch	Industrie, Cache
MLC	2	~10.000	mittel	hoch	Profi
TLC	3	~1.000 – 3.000	hoch	gut	Standard-SSDs
QLC	4	~100 – 1.000	sehr hoch	geringer	Günstige große SSDs

3D-NAND: Zellen werden in 100 bis 300 Schichten übereinander gestapelt. So steigt die Kapazität, ohne dass die Zellen weiter schrumpfen müssen.

Der Controller: Jede SSD hat einen Controller mit Aufgaben:

• Wear Leveling: Verteilt Schreibzugriffe gleichmäßig, damit keine Zelle früh verschleißt.
• Garbage Collection: Räumt Blöcke auf, die teils ungültige Daten enthalten.
• TRIM: Das Betriebssystem meldet freie Bereiche, die der Controller vorsorglich löscht.
• Fehlerkorrektur (ECC) und Reserve-Zellen (Over-Provisioning).
• SLC-Cache: Ein Teil schreibt zunächst schnell mit 1 Bit je Zelle, danach wird umgeschichtet.

Grenzen:

• Endliche Schreibzyklen. Messgröße TBW (Terabytes Written). Normale Nutzer erreichen sie selten.
• Gelöschte Daten sind schwer zu überschreiben (Datenlöschung nur per Secure Erase oder Verschlüsselung sicher).
• Ladung kann über Jahre abfließen (Datenerhalt ohne Strom 1 – 10 Jahre je nach Temperatur).

Vergleich: NAND-Flash ist die Technik hinter „SSD”, SATA/NVMe nur die Anbindung. Das Gegenstück ist NOR-Flash (schneller lesen, direkt ausführbar, kleinere Größe, zum Beispiel BIOS-Chips).

Siehe auch: SSDs, Wear-Leveling bei SSDs, SATA, PCIe und NVMe im Vergleich