TwinFlash-Technologie ermöglicht kosteneffektive und platzsparende, nichtflüchtige Speicher Blitzartiges Gedächtnis #####

Infineon Technologies Flash, ein Joint Venture zwischen Infineon Technologies und Saifun Semiconductor, hat mit der Entwicklung der TwinFlash-Technologie die Stärken beider Unternehmen kombiniert: Saifuns spezielle NROM-Technologie und Infineons Kompetenz in der DRAM-Fertigung. Das erste Mitglied dieser neuen Flash-Familie ist ein 512 Mbit großer NAND-kompatibler Baustein.

TwinFlash-Technologie ermöglicht kosteneffektive und platzsparende, nichtflüchtige Speicher

Infineon Technologies Flash, ein Joint Venture zwischen Infineon Technologies und Saifun Semiconductor, hat mit der Entwicklung der TwinFlash-Technologie die Stärken beider Unternehmen kombiniert: Saifuns spezielle NROM-Technologie und Infineons Kompetenz in der DRAM-Fertigung. Das erste Mitglied dieser neuen Flash-Familie ist ein 512 Mbit großer NAND-kompatibler Baustein.

Dank der starken Nachfrage nach Produkten wie Digitalkameras, Camcorder, PDAs, Mobiltelefonen, USB-Drives, MP3-Spielern, Spielekonsolen, digitalen Videos, Settop-Boxen etc. boomt der Markt für Flash-Speicher. Flash-Bausteine stellen die bevorzugte Lösung für das nichtflüchtige Speichern von Programmen und Daten in mobilen Produkten dar. Als On-Board-Speicher oder als platzsparende Speicherkarten überwinden die nichtflüchtigen Flash-Speicher viele Einschränkungen, die optische und magnetische Datenspeicher aufweisen. Gleichzeitig sind Flash-Speicher robust, haben eine niedrige Leistungsaufnahme und weisen keine beweglichen Teile auf. Das alles macht sie zur perfekten Lösung für mobile Geräte. Flash-Speicher wurden traditionell zum Speichern von Programm-Code genutzt, mittlerweile sind sie aber auch in immer mehr Anwendungen die bevorzugte Lösung zur nichtflüchtigen Datenspeicherung.

NOR oder NAND?

Bis heute ist der Flash-Markt durch zwei unterschiedliche Architekturen charakterisiert: NOR- (basiert auf einer logischen „Nicht-Oder“-Struktur) und NAND-Speicher („Nicht-Und“). Da die Flash-Technologie ursprünglich entwickelt wurde, um PROMs zu ersetzen, sahen die ursprünglichen Pläne nur die Speicherung von Programm-Code vor. Aus diesem Grund basierten die ersten Flash-Speicher auf NOR-Architekturen/Strukturen, denn diese parallele Struktur ermöglicht eine sehr schnelle Zugriffszeit und ein Byte-weises Überschreiben; beides Merkmale, die die NAND-Technologie nicht bieten kann. Aber im Vergleich zur NAND-Technologie sind die Speicherzellen und die einzelnen Blöcke in NOR-Technik deutlich größer. Vorteile der NAND-Speicher sind höhere Schreib-/ Löschgeschwindigkeiten, eine niedrigere Leistungsaufnahme während der Programmierung und höhere Dichten des Zell-Arrays, wodurch die Speicherkapazität pro Chipfläche steigt.

Aufgrund der unterschiedlichen Architekturen war NOR die bevorzugte Wahl, wenn es um die Speicherung von geschwindigkeitskritischem Code ging. Denn diese Speicher waren schnell genug, damit der Programm-Code direkt aus ihnen heraus ausgeführt werden konnte. Das Bus-Interface hat separate Daten-, Adress- und Steuerleitungen und der Anwender kann mit einem NOR-Baustein wie bei einem SRAM auf einzelne Bytes zugreifen. Typische Anwendungen sind Handys, PDAs, Settop-Boxen, Modems, Faxe, Drucker und PC-Bios. NAND-Speicher wiederum wurden bevorzugt zur Speicherung großer Datenmengen genutzt, weil sie geringere Kosten pro Bit erlauben. Deswegen sind NAND-artige Flash-Speicher als Daten-Speichermedium in einer Vielzahl von Anwendungen zu finden, wie zum Beispiel in digitalen Kameras, mobilen Telefonen, USB-Laufwerken oder PDAs; oft in Form einer Speicherkarte (zum Beispiel SD, MultiMediaCard, Compact Flash, MemoryStick etc.).

NAND-Chips sind aufgrund der verbundenen Zellen-Strings deutlich kleiner (rund 40 Prozent) als NOR-Speicher. Sie nutzen gemultiplexte I/Os für Adressen und Daten mit ein paar zusätzlichen Steuerpins und einem sequenziellen Datenzugriff. Die Tabelle stellt die wesentlichen Eigenschaften von NOR und NAND gegenüber.

Single- bzw. Multi-Level-Zellen und Multibit-Zellen

Flash-Implementierungen lassen sich in Single-Level-Zellen (SLC), Multi-Level-Zellen (MLC) und Multi-Bit-Zellen (MBC) – auch TwinFlash-Zellen – unterteilen (Bild 1).

SLC-Flash-Bausteine nutzen die Speicherzellen ähnlich wie ein EEPROM, aber die Oxidschicht zwischen Floating-Gate und Source ist dünner. Die Programmierung des Speichers erfolgt über das Laden von Elektronen auf das Floating-Gate. Die gespeicherte Ladung kann elektrisch über die Source gelöscht werden. Mit diesem Ansatz lässt sich ein einziges Informationsbit (1 = gelöscht und 0 = programmiert) speichern. Mit 1 bit pro Zelle sind eine schnelle Programmierung und ein schnelles Lesen möglich. Da dieser Ansatz durch eine relativ geringe Siliziumeffizienz begrenzt ist, wird die Skalierung dieser Single-Bit-Bausteine durch Fortschritte in der Prozesstechnologie vorangetrieben.

Mit MLC-Flash-Bausteinen ist eine Speicherung von zwei Informations-Bits in einem einzigen Transistor möglich, indem mehrere diskrete Ladungsniveaus des Floating-Gate unterschieden werden können. Die Programmierung einer Zelle und das Lesen müssen allerdings genau gesteuert werden, um die vier in Beziehung stehenden Ladungsniveaus innerhalb eines einzigen Transistors zu erreichen. Dieser Ansatz mit vier Ladungsniveaus pro Zelle liefert moderate Lese-/Schreibgeschwindigkeiten und braucht eine optimierte Leseschaltung zur genauen Bestimmung des Ladezustands der Zelle.

MBC-Flash-Bausteine – wie die TwinFlash-Zelle – speichern die Ladungen (Bits) unabhängig voneinander an verschiedenen Positionen innerhalb der Zelle in einem einzigen Transistor. Die an jedem Ende der Zelle abgespeicherten Ladungen können unabhängig voneinander gelesen, programmiert und gelöscht werden. Ein MBC-Flash mit zwei unabhängigen Bits pro Zelle zeichnet sich durch eine sehr kostengünstige Struktur, durch schnelles Programmieren/Lesen und eine hohe Dichte aus.