SSD – Funktionsweise und Funktionsprinzip vom Flashspeicher

Titelbild Vergleich Frage FragezeichenImmer mehr verdrängen Flashspeicher in Form des Solid State Drive (SSD) die gewöhnliche Festplatte, so wie sie zuvor als USB-Stick bereits CD, DVD und andere Speichermedien verdrängt haben. Sie sind schneller, verbrauchen weniger Energie und sind unempfindlicher gegen Stöße und Erschütterungen als mechanische Festplatten, dafür allerdings (noch) etwas teurer.

Der Flashspeicher funktioniert nach dem Prinzip des Floating-Gate-Transistors. Dessen wesentlicher Bestandteil ist ein elektrisch isolierter Ladungsträger, das Floating-Gate. Die Speicherung von Daten erfolgt dann durch das Einbringen von Elektronen auf diese „Insel“.

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Befinden sich Elektronen im Floating-Gate, so stoßen sie andere Elektronen ab, die dadurch in einer danebenliegenden Verbindungsleitung nicht vorbeifließen können. Auf diese Art wird der Speicher gelesen.

Das Aufbringen und Entfernen von Elektronen erfolgt mithilfe des so genannten „Tunneleffekts“ aus der Quantenphysik. Der besagt, dass sich ein Elektron unter Umständen nicht an einer konkreten Position befindet, sondern mit gewisser Wahrscheinlichkeit in einem bestimmten Bereich.

Wird eine hohe Spannung um das Floating-Gate angelegt, so wird der Tunneleffekt so stark, dass Elektronen in das eigentlich isolierte Gate „hineinspringen“ können (schreiben). Eine hohe negative Spannung drückt sie wieder hinaus (löschen). Ohne Stromversorgung sind die Elektronen im Floating-Gate gefangen, der Speicherinhalt bleibt erhalten.

Eine SSD Festplatte enthält nun eine sehr große Anzahl dieser Schaltelemente, die blockweise angesprochen werden. Das ist kein Problem, da eine Festplatte ohnehin Daten in Form größerer Blöcke transportiert.

Einige technische Einschränkungen ergeben sich allerdings durch die Blockzusammenfassung. So kann das Beschreiben eines bereits benutzten Blocks nur erfolgen, nachdem er zuvor gelöscht wurde. Bei einer mechanischen Festplatte wird der betroffene Bereich einfach durch Aufbringen eines neuen magnetischen Musters überschrieben.

Das Löschen wiederum umfasst aus technischen Gründen immer eine größere Gruppe von Blöcken, die danach alle neu beschrieben werden müssen, auch wenn nur in einem Block ein einziges Bit verändert wurde.

Damit dieser Vorgang nicht zu lange dauert, hält eine moderne SSD Festplatte Reserveblöcke bereit, in die die geänderten Daten gespeichert werden. Anschließend nehmen diese Reserveblöcke den Platz der zuvor benutzten Blöcke ein (das passiert innerhalb der Festplatte und ist für das Betriebssystem unsichtbar).

Die bisherigen Blöcke werden dann, wenn die Festplatte gerade nicht anderweitig beschäftigt ist, gelöscht und stehen ihrerseits als Reserve zur Verfügung.

Dieser Austausch der Blöcke ist auch wichtig, weil jeder Lösch- und Schreibvorgang die Schaltelemente physikalisch abnutzt, bis sie irgendwann zerstört sind. Darum sorgen intelligente Algorithmen für eine gleichmäßige Abnutzung über die gesamte Platte hinweg, auch wenn scheinbar immer dieselben Daten geändert werden.

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