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DRAM vs. NAND-Flash: Flüchtigkeit, Geschwindigkeit, Kapazität, Einsatz

DRAM speichert Daten als Ladung auf Kondensatoren und lässt sich schnell lesen und beschreiben, verliert die Daten aber beim Abschalten der Versorgung. NAND-Flash speichert Daten, indem Elektronen in einer von Isolierschichten umgebenen Schicht eingeschlossen werden; die Daten bleiben daher auch ohne Versorgung erhalten, und die Kosten pro Bit sind niedrig. Lesen und Schreiben sind jedoch deutlich langsamer als bei DRAM, und die Zahl der Schreibzyklen ist begrenzt. In PCs und Smartphones dient DRAM daher als Arbeitsspeicher (Hauptspeicher) und NAND als Massenspeicher, etwa in SSDs.

MerkmalDRAMNAND-Flash
SpeicherprinzipEin Transistor und ein Kondensator (1T1C). Gespeichert wird über das Vorhandensein oder Fehlen von Ladung auf dem KondensatorTransistor mit veränderbarer Schwellenspannung. Gespeichert wird über die Menge der Elektronen im Floating Gate oder in der Charge-Trap-Schicht
Ohne VersorgungsspannungDie Daten gehen verloren (flüchtig)Die Daten bleiben erhalten (nichtflüchtig)
RefreshErforderlich (typischerweise alle Zeilen innerhalb von 64 ms)Nicht erforderlich. Da die Ladung jedoch langsam abfließt, ist die Datenhaltezeit begrenzt
Lese-/SchreibeinheitWahlfreier Zugriff in kleinen Einheiten (tatsächlich Burst-Transfers von einigen zehn Byte)Lesen und Schreiben seitenweise (einige KB bis über zehn KB), Löschen in noch größeren Blöcken
ÜberschreibenDirektes Überschreiben möglichNicht möglich. Vor dem Schreiben muss blockweise gelöscht werden
ZugriffszeitEinige zehn NanosekundenLesen etwa einige zehn Mikrosekunden, Schreiben noch länger, etwa einige hundert Mikrosekunden
SchreibzyklenPraktisch unbegrenztBegrenzt (Richtwerte: SLC etwa 50.000 bis 100.000, TLC einige tausend, QLC etwa 1.000)
Verfahren zur KapazitätssteigerungMiniaturisierung und dreidimensionale Kondensatoren (tiefe, hohe Kondensatorstrukturen)3D-NAND mit vertikal gestapelten Zellen und Mehrbit-Zellen, die mehrere Bits pro Zelle speichern
Kosten pro BitHochDeutlich niedriger als DRAM
Typische AnwendungenHauptspeicher in PCs und Servern, LPDDR in Smartphones, GDDR und HBM für GPUsSSDs, interner Speicher von Smartphones, USB-Sticks, SD-Karten

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

DRAM
Wenn CPU oder GPU schnell auf Arbeitsdaten zugreifen müssen: als Hauptspeicher für laufende Programme und Daten.
NAND-Flash
Wenn große Datenmengen kostengünstig und auch ohne Versorgung dauerhaft gespeichert werden sollen: als Massenspeicher für Betriebssystem, Apps, Fotos und Videos.
Kombination
Computer laden die auf NAND gespeicherten Daten zunächst in den DRAM und verarbeiten sie dort. Auch manche SSDs enthalten DRAM, um Verwaltungsinformationen zwischenzuspeichern.

Häufige Fragen

Was ist der wichtigste Unterschied zwischen DRAM und NAND?

Ob die Daten beim Abschalten der Versorgung erhalten bleiben. DRAM ist ein flüchtiger Speicher, der die Daten ohne Versorgung verliert, NAND ein nichtflüchtiger Speicher, der sie behält. DRAM ist schnell, NAND groß und günstig, daher werden beide für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt.

Entspricht das dem Unterschied zwischen „Arbeitsspeicher“ und „Speicherplatz“ beim PC?

Im Großen und Ganzen ja. Was in den PC-Spezifikationen als „Arbeitsspeicher“ (RAM) angegeben ist, ist DRAM, und die SSD als „Speicherplatz“ besteht aus NAND-Flash.

Warum ist die Zahl der Schreibzyklen bei NAND begrenzt?

Bei jedem Schreib- und Löschvorgang tunneln Elektronen durch eine dünne Isolierschicht, die dadurch allmählich geschädigt wird und die Ladung immer schlechter hält. SSD-Controller verlängern die Lebensdauer durch Wear-Leveling, das die Schreibvorgänge auf den gesamten Speicher verteilt, und durch Fehlerkorrektur.

Werden DRAM und NAND von denselben Unternehmen hergestellt?

Einige Unternehmen stellen beides her. Samsung Electronics, SK hynix und Micron Technology fertigen sowohl DRAM als auch NAND. Kioxia konzentriert sich auf NAND.

Verständnis prüfen

Welche aus Bauelementen bestehende Struktur ist für eine 1-Bit-Speicherzelle eines üblichen DRAM richtig?

  1. AEin Transistor und ein Kondensator
  2. BSechs Transistoren
  3. CEin Transistor mit Floating Gate
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Antwort: A. Ein Transistor und ein Kondensator

Eine DRAM-Zelle besteht aus einem Transistor und einem Kondensator (1T1C); je nachdem, ob der Kondensator geladen ist oder nicht, speichert sie 1 Bit. Der Kondensator ist mit etwa 10 fF sehr klein, und der Unterschied von nur einigen zehntausend Elektronen unterscheidet 0 und 1. Wegen der geringen Zahl an Bauelementen ist die Zellfläche mit etwa 6F² klein, was große Kapazitäten begünstigt. Sechs Transistoren sind die Zellstruktur des SRAM, ein Transistor mit Floating Gate die des Flash-Speichers.

Warum ist beim DRAM ein periodischer Refresh erforderlich?

  1. AUm die Lesegeschwindigkeit zu erhöhen
  2. BWeil die Zahl der Schreibvorgänge nach oben begrenzt ist
  3. CWeil die im Kondensator gespeicherte Ladung durch Leckströme allmählich verloren geht
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Antwort: C. Weil die im Kondensator gespeicherte Ladung durch Leckströme allmählich verloren geht

Die Ladung des Kondensators geht durch Subthreshold-Leckstrom und Sperrschichtleckstrom des Zelltransistors nach und nach verloren. Der Refresh liest die Daten, bevor sie nicht mehr unterscheidbar sind, und schreibt sie zurück; laut Spezifikation durchläuft er bis DDR4 innerhalb von 64 ms und bei DDR5 innerhalb von 32 ms alle Zeilen. Während des Refresh ist die betreffende Bank nicht zugänglich und es wird Leistung verbraucht, sodass die Belastung mit wachsender Kapazität zunimmt. Eine Obergrenze der Schreibzyklen ist ein Merkmal des Flash-Speichers.

Welche Eigenschaft des DRAM ist richtig?

  1. AEr ist ein flüchtiger Speicher, dessen Daten beim Abschalten der Versorgung verloren gehen
  2. BEr ist ein nichtflüchtiger Speicher, dessen Daten auch nach dem Abschalten erhalten bleiben
  3. CEr ist ein Nur-Lese-Speicher, dessen Daten nicht überschrieben werden können
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Antwort: A. Er ist ein flüchtiger Speicher, dessen Daten beim Abschalten der Versorgung verloren gehen

Der DRAM speichert Information in Ladung und ist ein flüchtiger Speicher, dessen Daten beim Abschalten der Versorgung verloren gehen, da die Ladung nicht gehalten wird. Dass auch bei eingeschalteter Versorgung ein Refresh nötig ist, unterscheidet ihn vom ebenfalls flüchtigen SRAM. Wird er jedoch unmittelbar nach dem Abschalten gekühlt, können Daten für einige Sekunden bis Minuten erhalten bleiben; darauf beruht der bekannte „Cold-Boot-Angriff“, der Kryptoschlüssel aus dem Speicher ausliest. Nichtflüchtig sind etwa Flash-Speicher.

  1. Welche Aussage zu den Merkmalen von NAND-Flash im Vergleich zu NOR-Flash ist richtig?
  2. In welcher Einheit werden bei NAND-Flash Daten gelöscht?
  3. Welche Aussage zu 3D-NAND-Flash-Speichern ist richtig?
  4. Welche Kombination aus den beiden Produkten, die den Großteil des Umsatzes auf dem Markt für Speicherhalbleiter ausmachen, ist richtig?

Übungsfragen zu DRAM

Wichtige Begriffe erklärt

1T1C-Zelle
DRAM-Speicherzelle, die ein Bit mit einem Transistor und einem Kondensator speichert. 0 und 1 werden durch das Vorhandensein von Ladung im Kondensator dargestellt.
Refresh
Vorgang, bei dem die Daten eines DRAM periodisch gelesen und neu geschrieben werden, bevor die Ladung der Kondensatoren durch Leckströme verloren geht.
NAND-Flash-Speicher
Nichtflüchtiger Speicher, dessen Speicherzellen in Reihe geschaltet sind. Er lässt sich hochintegriert mit großer Kapazität bauen und wird in SSDs und Speicherkarten verwendet.
3D-NAND
NAND-Flash, bei dem die Speicherzellen in vertikaler Richtung vielfach gestapelt werden, um die Kapazität zu erhöhen. Eingeführt, um die Grenzen der planaren Skalierung zu überwinden; die Lagenzahl hat 200 überschritten.
Nichtflüchtiger Speicher
Speicher, dessen Daten auch nach dem Abschalten der Versorgung erhalten bleiben, z. B. Flash-Speicher oder MRAM. DRAM und SRAM sind flüchtig.
Wear-Leveling
Technik, die Schreibzugriffe auf Flash-Speicher verteilt, damit sich Schreibvorgänge nicht auf bestimmte Blöcke konzentrieren, und so die Lebensdauer verlängert.

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