Facharbeit Flash-Speicher Benno Ommerborn

Transcrição

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
3
2.1.1
RAM ............................................................................................................. 7
2.1.2
Flash-Speicherarten .................................................................................... 8
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
4
Historie des Flash-Speichers ............................................................................... 6
Neue Möglichkeiten ......................................................................................... 20
3.2.1
Datenzugriff............................................................................................... 20
3.2.2
Systemintegration ..................................................................................... 22
3.2.3
Energieeffizienz ......................................................................................... 23
3.2.4
Sicherheit .................................................................................................. 23
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 Verfassen 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 Nachfrager von SSD Lösungen verwies mich nur auf allgemein zugängliche Informationsportale.
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, fundierten Vision, wie sich die Welt in wenigen Jahren aufgrund der Innovation - neue
SDXC-Speicherkarte und die SDXC-Spezifikation - im Umgang mit Computern verändern 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 FlashSpeichern entspricht. Die neue Spezifikation der SDXC-Karten ist mit den Leistungsmerkmalen einer SSD vergleichbar. Die SSD ist wiederum mit konventionellen Festplatten vergleichbar. Durch die SSD Erläuterungen erhält der Leser einen Blick aus der Praxis auf die theoretischen Leistungsdaten der SDXC-Spezifikation anhand der realen
Leistungsdaten einer SSD.
In Kapitel Grundlagen erfolgt die notwendige Definition eines Flash-Speichers. Im Verlauf 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 Defektmanagement. Der Abschnitt Neue Möglichkeiten geht auf die Themen Datenzugriff, Systemintegration, 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 Darlegung 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 Memory). 1 Der Flash-Speicher wird überall dort eingesetzt, wo Informationen auf kleinstem
1
(Flash memory, Wikipedia, The Free Encyclopedia., 2010)
-6Raum untergebracht werden müssen und ohne eine kontinuierliche Energieversorgung, 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 DVDPlayer bieten heute Schnittstellen für Flash-Speicher an. Vor allem kleine Betriebssysteme, 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 Speicherelement 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 Research Institute of Electrical Communication der Tohoku Universität in Japan.6
Einen Mitarbeiter von Dr. Fujio Masuoka erinnerte der in Blöcken stattfindende Löschvorgang 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
SSD
Typ I/
flash basiert
MMC
SD
Typ II
Markteinführung
Größe in mm
1994
1995
1997
08.1999
43 x 36 x 3,3/
1.0-, 1.8-, 2.5-
24,0 × 32,0 × 1,4
32 × 24 × 2.1
43 x 36 x 5
und 3.5-Zoll
bis 128 GB
1,5 TB
8 GB
SD: 8 MB - 4 GB
Speicherkapazität
SDHC: 4 GB - 32 GB
SDXC: 32 GB- 2 TB
SanDisk
Entwickler
MSystems, 2006
Siemens -Tochter
Panasonic,
Übernahme
Ingentix, SanDisk
SanDisk, und
durch SanDisk
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 Kernspeicher zum Einsatz. Dieser fand Verwendung in den meisten Computern bis zur Entwick12
(Panasonic Marketing Europe GmbH, Moesing, Silke, 2009)
-8lung 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 gewährleisten, 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-Speicherkartenformat 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 Förderung 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)
(CompactFlash, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. , 2010)
15
(Multimedia Card, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. , 2010)
16
(Memory Stick, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. , 2010)
17
18
(SD Card Association, 2010)
14
-9SDHC) 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 werden können. Der Schreibschutz wird vom Kartenlesegerät erkannt und ist kein Schutzmechanismus auf der Karte selbst. Die Karte besteht aus einem integrierten Controller
und besaß zu Beginn eine Speicherkapazität von nur 8 Megabyte. Diese stieg in kürzester 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)
(SD Association Celebrates 10 Years of Innovation, 2010)
21
22
(Secure Digital Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010)
20
- 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 Digitalkameras mit hoher Auflösung sind hohe Datenraten existenziell wichtig. Außerdem
wurde die Übertragung auf den Computer um einiges beschleunigt. SDHC-Karten verwenden 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 Übertragungsgeschwindigkeiten 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 Abwärtskompatibilität kann natürlich auch ein anderes Dateisystem gewählt werden. Zwar kann eine
Speicherkarte mit den meisten Dateisystemen formatiert werden, die Verteilungsalgo-
23
25
(SD Association Announces SDXC, 2010)
24
- 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 Datenübertragung 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 Aufnahme von Fotoserien neue Möglichkeiten eröffnet. Auch bei Digitalfotos im professionellen Bereich, bei denen das nicht komprimierte und somit speicherintensive RAWFormat 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 Endgeräten völlig verändern (vgl. Kapitel 4 - Anwendungen in der Zukunft).
SSD
Ein Solid State Drive (SSD) ist ein Speichermedium, das wie eine konventionelle magnetische 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
28
29
27
- 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 führte 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 empfindlich 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 werden 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 Druckschwankungen, 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 derzeit bekannteste Beispiel für die Verwendung der SSD ist das neustes Produkt von Apple, das iPad. Ein durch Multi-Touch zu bedienender Tablet PC, der als einziges Speichermedium 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)
(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
35
(Apple Inc., iPad, 2010)
31
- 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 Transferraten 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 FowlerNordheim-Tunneleffekt, einen Effekt aus der Quantenphysik in Halbleitern. Im Gegensatz zu den EEPROMs können bei Flash-EEPROMs je nach Bauform einzelne Speicheradressen direkt gelesen oder beschrieben werden, jedoch lassen sich nur ganze Speicherblöcke auf einmal löschen. Dadurch werden viele Verdrahtungen eingespart und
eine höhere Speicherdichte wird ermöglicht.37 Der Aufbau einer Flash-Zelle ist vergleichbar mit dem Aufbau eines MOSFET-Transistors - 1959 von Dr. Dawon Kahng entwickelt, 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 Oxidschicht 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
37
- 14 -
Abbildung 4 – Lesen, Flash Zelle keine Ladung (logisch 0)41
Abbildung 5 - Lesen, Flash Zelle Ladung (logisch 1)42
Zum besseren Verständnis wird im Folgenden angenommen:
logisch
ogisch 1 = Ladung, logisch 0 = keine
k
Ladung
Ob der geladene oder ungeladene Floating-Gate-Zustand
Flo
Zustand als jeweils „logisch 0“ oder
„logisch 1“ der Speicherzelle angesehen wird, ist implementierungsabhängig.43
Durch die im
m Floating Gate eingebrachte Ladung befindet sich die Drain-Source-Strecke
Drain
des Transistors in einem niederohmigen Zustand.
Zustand. Bei fehlender Ladung im
i Floating
Gate ist die Drain-Source
Source-Strecke
Strecke hingegen hochohmig. Mit diesen beiden Zuständen
41
(Benz, Benjamin, Erinnerungskarten – Die Technik der Flash-Speicherkarten.,
Speicherkarten., 2006)
43
(Flash-Speicher,
Speicher, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)
42
- 15 kann im einfachsten Fall die Informationsmenge von einem Bit permanent gespeichert
werden.44
Beim Lesen einer einzelnen Flash-Zelle
Flash
mit geringer Spannung, üblicherweise 3,3 Volt,
bewirkt die Ladung auf dem Floating Gate durch ihr elektrisches Feld einen leitenden
Kanal zwischen Source und Drain (logisch 1). (vgl. Abbildung 5)
Entweder es fließt ein Strom (logisch 1) oder eben nicht (logisch 0).
Abbildung 6 - Schreiben, in den Zustand Ladung bringen (logisch 1)
1 45
Beim Schreiben erhält das Floating Gate eine Ladung. Dabei bedient man sich dem
Fowler-Nordheim-Tunneleff
Tunneleffekt,
ekt, ein quantenmechanischer Effekt.46 Damit einige Ladungsträger vom Source durch die Oxidschicht
schicht auf das Floating Gate tunneln können,
muss zwischen ControlControl und Source- Gate eine recht hohe positive Spannung von 10
bis 13 Volt angelegt werden.
werden Beim Schreiben kann man dann jede einzelne Zelle in den
Zustand Ladung (logisch 1) versetzen, aber nicht wieder einzeln zurück. Die Ladung
bleibt durch die vollständige Isolation im Floating Gate über viele Jahre erhalten.
Beim Löschen, wird eine hohe negative
negative Spannung angelegt, die die Ladungsträger wiewi
der aus dem Floatingg Gate heraus drängt – kein leitender Kanal zwischen Drain und
Source (logisch 0).
Gelöscht wird großflächig in ganzen Blöcken, das Schreiben geschieht dagegen selektiv
pro Zelle. Da sich
h Flash-Speicher
Flash Speicher nur in Blöcken löschen lassen, sind SchreiboperatioSchreiboperati
nen, die vorhandene Daten verändern, aufwendiger als Lesezugriffe. Bei jedem LöschLösch
44
(Floating-Gate-Transistor,
Transistor, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)
46
(Fowler, Ralph Howard; Nordheim, Lothar Wolfgang: Electron Emission in Intense Electric Fields,
London 1928)
45
- 16 und Schreibvorgang, also beim Tunneln, wird die Zelle leicht beschädigt (Degeneration).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 LöschVorgang 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 Physik 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“ überwinden, 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 durchdringen. Was für uns im realen Leben unvorstellbar ist, ist für die Funktionsweise des
Flash-Speichers existentiell wichtig. Denn durch den speziellen Fowler-NordheimTunneleffekt können Elektronen den eigentlichen Nichtleiter passieren und auf das
Floating-Gate gebracht werden. Der Tunneleffekt ist mit einer Wahrscheinlichkeit verbunden, die sehr gering aber endlich ist. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen wird
eine hohe positive bzw. negative (10-18 V) Spannung angelegt.49
47
49
(Tunneleffekt, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)
48
- 17 3.1.2 Architekturen
Der grundsätzliche Aufbau einer Flash-Speicherkarte und einer SSD besteht aus FlashSpeichern 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 Programmspeicher 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 Auslesen 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 FlashSpeicherarten) 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 werden mehrere Floating Gates platzsparend innerhalb einer Zelle platziert. Deshalb unterscheiden sich beim Lesen und Schreiben MLC-Flash-Speicher vom SLC-FlashSpeicher.50 Eine SD-Karte benötigt bei einer Speicherkapazität von 4 GB über 35 Milliarden Floating-Gate-Transistoren.51
3.1.3 Defektmanagement
Die Lebensdauer von konventionellen Festplatten wird hauptsächlich durch die Abnutzung der Mechanik beeinflusst. Auch Flash-Speicher verschleißen mit der Zeit, obwohl
hier keine beweglichen Teile vorhanden sind. Beim Flash-Speicher wirkt der Tunnelef-
50
51
- 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 Informationen, 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 Management 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, son52
54
55
(Flash-Speicher, Wikipedia, Die freie Enzyklopädie., 2010)
53
- 19 dern als nicht-aktuell markiert. Geschrieben wird in den nächsten freien Block desselben Erasable Block. Erst, wenn alle seine Blöcke nicht-aktuell sind, wird er einmal komplett 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 vergleichsweise 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 WearLevelling.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-LeseModus 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
58
57
- 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 NotebookBereich verwendet. Denn diese sind schneller als konventionelle Festplatten und besitzen eine hohe Datendichte von 139 GB/cm³. Durch den Tempogewinn, wird der Start
und das Herunterfahren des Betriebssystems um rund 20 Prozent beschleunigt. Außerdem ist das Starten von Programmen und Anwendungen, wo immer Zugriffszeiten
eine Rolle spielen, zwei- bis dreimal schneller als bei konventionellen Festplatten. Dadurch steht der Flash-Speicher als nichtflüchtiges Speichermedium in direkter Konkurrenz 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 herkömmlichen Festplatte muss dagegen erst die Mechanik den Schreib-/Lesekopf über die Stelle
schwenken, an der Daten gelesen oder geschrieben werden sollen. Standardfestplatten 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 verwendet 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 Festplatten 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 Speicherplatz, verringert sich die Performance.
Die Wear-Levelling Algorithmen „bremsen“ die SSD ebenfalls bezogen auf Zugriffszeiten 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 Blockgröße 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 geringer Restkapazität an Speicherplatz, sodass die Gesamtleistung dann um etwa ein
Drittel sinkt.
Größe
Preis pro GB
Anschluss
Lesen
Schreiben
Mittlere Zugriffszeit lesen
Mittlere Zugriffszeit schreiben
Überschreibbar
lagerbar bei
stoßfest – Betrieb
stoßfest – Lagerung
Verbrauch – Ruhe
Verbrauch – Zugriff
geräuschlos
SSD Flash-Laufwerk
Festplatte
1,0″ bis 3,5″
bis 1,5 TB
ab 1,39 €
S-ATA, P-ATA
bis 510 MB/s
bis 480 MB/s
0,2 ms
0,4 ms
0,1 bis 5 Millionen Mal
−55 bis 95 °C
1500 g
1500 g
0,05 – 1,3 W
0,5 – 3 W
ja
1,0″ bis 3,5″
bis 2 TB
ab 0,055 €
S-ATA, P-ATA, SCSI, SAS
bis 150 MB/s
bis 150 MB/s
ab 3,5 ms
ab 3,5 ms
„beliebig“
−40 bis 70 °C
60 g
350 g
4 W und höher
6 W und höher
nein
Tabelle 2- SSD Flash vs. Festplatte61
60
61
- 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-Zugriffszeiten 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 vereinfacht.
Speziell die SD-Karten mit ihren Formaten SD, SDHC und SDXC erlangen große Bedeutung 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 Schnittstelle des Endgerätes berücksichtigen, d.h. SD-Karten können alle SD-EndgeräteSchnittstellen nutzen. Mit dem Format SDHC definierte Endgeräte-Schnittstellen können Daten von SD und SDHC-Karten verarbeiten; mit dem Format SDXC definierte Endgeräte-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 SDKarten beträgt heute über 80%, d.h. wurden bereits weltweit 2,5 Mrd. SD-Karten ver62
63
- 23 kauft. Genau durch diese Akzeptanz kommt es zu der praxisrelevanten Systemintegration. Der Preisverfall bei SD-Karten allgemein hat ebenfalls die Beliebtheit beim Anwender erhöht.64
Bei Computern wird die Systemintegration von Flash-Speicherkarten zusätzlich unterstützt. Die heutigen Rechner verfügen fast immer über eine Multi-Karten-Schnittstelle
und ermöglichen so den Datenaustausch mit den heute maßgeblichen FlashSpeicherkarten 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 nichtflüchtiges Speichermedium in direkte Konkurrenz mit Festplatten und optischen Speichern 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 Löschzugriffe 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 möglich 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
SD Standard > 10N
Panasonic Standard > 0.3N・m
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
67
66
- 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. Betriebssysteme 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 Jahren einen neuen Umgang mit dem Computer geben. Da jeder neue Computer ein Kartenlesegerät 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 kinderleicht 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 speichern. Denn so kann jeder Benutzer sein bevorzugtes Betriebssystem und seine persönliche Arbeitsumgebung einsetzen, wobei er gleichzeitig keinerlei Daten im PC hinterlässt, da er die „Festplatte“ einfach mitnimmt. Zusätzlich sind SD-Karten viel robuster 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 Datenverlustes, 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 Abmessungen und ihrer Robustheit beim Anwender sehr beliebt werden. Viele neue Anwendungen 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 Gerätekompatibilität 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 Mediendaten einkaufen und auf der Speicherkarte mitnehmen kann.
Durch den Wandel im Umgang mit Computern, werden sich Betriebssysteme, Anwendungen 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 höhere Flexibilität zu erreichen.
- 27 -
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- 29 -
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 sinngemäßen Übernahmen aus anderen Werken als solche gekennzeichnet habe.
Troisdorf, den 14.03.2010 ____________________________________________

Facharbeit Flash-Speicher Benno Ommerborn

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