NAND- vs. NOR-Flash: Unterschiede und Einsatzgebiete

Beide sind nichtflüchtige Flash-Speicher, aber sie sind unterschiedlich verschaltet. NOR-Flash schaltet seine Zellen parallel, bietet daher schnelle wahlfreie Lesezugriffe und kann Code direkt ausführen, ist aber pro Bit teuer. NAND-Flash schaltet seine Zellen in Reihe, packt dadurch weit mehr Bits auf dieselbe Fläche und ist günstig, liest und schreibt aber seitenweise und braucht eine Fehlerkorrektur. Deshalb speichert NAND Ihre Daten und NOR die Firmware.

Aspekt	NAND-Flash	NOR-Flash
Zellverschaltung	Die Zellen sind in Strings in Reihe geschaltet, mit Select-Transistoren an beiden Enden	Die Zellen sind parallel an die Bitleitung angeschlossen, sodass jede Zelle direkt angesprochen werden kann
Lesezugriff	Lesen seitenweise (mehrere KB auf einmal). Der erste Zugriff dauert einige zehn Mikrosekunden, wahlfreies Lesen ist daher langsam	Schneller wahlfreier Zugriff auf Byte- oder Wortebene, im Bereich von einigen zehn Nanosekunden
Schreiben (Programmieren)	Programmierung seitenweise; hoher Durchsatz bei sequenziellem Schreiben	Programmierung in kleinen Einheiten; bei großen Datenmengen langsamer
Löscheinheit	Block (einige MB oder mehr)	Sektor (typischerweise 64 bis 128 KB)
Programmiermechanismus	Fowler-Nordheim-Tunneln sowohl zum Programmieren als auch zum Löschen	Channel-Hot-Electron-Injektion zum Programmieren, Tunneln zum Löschen
Dichte und Kosten pro Bit	Hohe Dichte und niedrige Kosten; 3D-NAND stapelt Hunderte von Schichten, und TLC/QLC speichern 3 bis 4 Bit pro Zelle	Geringere Dichte (meist bis zu einigen Gigabit pro Chip) und höhere Kosten pro Bit
Direkte Codeausführung (XIP)	Nein. Code muss zuerst in den RAM kopiert werden	Ja. Ein Prozessor kann Code direkt vom Chip ausführen
Zuverlässigkeit	Defekte Blöcke und Bitfehler sind normal, daher sind starke ECC, Bad-Block-Management und Wear Leveling nötig	Wenige Bitfehler, daher genügt eine leichte Fehlerkorrektur
Lebensdauer (Endurance)	Von etwa 100.000 Programmier-/Löschzyklen (SLC) bis hinunter zu rund 1.000 oder weniger (QLC)	Typischerweise etwa 100.000 Programmier-/Löschzyklen
Typische Einsatzgebiete	SSDs, USB-Sticks, Speicherkarten, Smartphone-Speicher (eMMC, UFS)	Boot-Code und Firmware: BIOS/UEFI-Chips, Mikrocontroller-Code, Automotive- und Industriegeräte

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

Wann welches einsetzen

NAND-Flash: Wenn Sie viel günstigen, nichtflüchtigen Speicher brauchen und seitenweise lesen und schreiben können: SSDs, Smartphones, Kameras, Speicherkarten.
NOR-Flash: Wenn Programmcode gespeichert werden soll, den ein Prozessor direkt und zuverlässig liest, und die Kapazität bescheiden ist: Boot-ROM, Firmware, kleine eingebettete Systeme.
Zusammen: Viele Geräte nutzen beide: Ein kleiner NOR-Chip enthält den Boot-Code, der dann das Betriebssystem von einem großen NAND-Baustein lädt.

FAQ

Warum ist NAND-Flash günstiger als NOR-Flash?

NAND-Zellen sind in Reihen-Strings geschaltet und teilen sich Kontakte, sodass jedes Bit deutlich weniger Fläche benötigt. Zusammen mit 3D-Stapelung und Mehrbit-Zellen ergibt das eine hohe Dichte und niedrige Kosten pro Bit. NOR-Zellen sind parallel verschaltet und brauchen mehr Fläche.

Kann ein Prozessor Code direkt aus NAND-Flash ausführen?

Nicht direkt. NAND wird seitenweise gelesen und hat Bitfehler, daher wird Code meist zuerst in den RAM kopiert. NOR-Flash unterstützt Execute in Place (XIP), weshalb er Boot-Code und Firmware speichert.

Welcher Flash wird in SSDs und Smartphones verwendet?

NAND-Flash. SSDs, USB-Sticks, Speicherkarten und Smartphone-Speicher wie eMMC und UFS nutzen alle NAND wegen der niedrigen Kosten und hohen Kapazität.

Nutzt sich NAND-Flash schneller ab als NOR?

In der Regel ja. Die Lebensdauer von NAND reicht von etwa 100.000 Zyklen (SLC) bis hinunter zu rund 1.000 (QLC), während NOR typischerweise etwa 100.000 Zyklen erreicht. NAND-Controller nutzen Wear Leveling und Fehlerkorrektur, um die Lebensdauer zu verlängern.

Wichtige Begriffe erklärt

NAND-Flash-Speicher: Nichtflüchtiger Speicher, bei dem die Speicherzellen in Reihe geschaltet sind. Er ist dicht gepackt, lässt sich leicht zu großen Kapazitäten skalieren und wird in SSDs und Speicherkarten verwendet.
NOR-Flash-Speicher: Flash-Speicher mit parallel geschalteten Zellen. Wahlfreies Lesen ist schnell; er wird zur Programmspeicherung für Mikrocontroller und Ähnliches verwendet.
3D-NAND (3D NAND): NAND-Flash, bei dem Speicherzellen in vielen Lagen vertikal gestapelt sind, um die Kapazität zu erhöhen. Er wurde eingeführt, um die Grenzen der planaren Skalierung zu überwinden; die Lagenzahl liegt inzwischen über 200.
Nichtflüchtiger Speicher: Speicher, der gespeicherte Daten auch ohne Spannungsversorgung behält, etwa Flash-Speicher und MRAM. DRAM und SRAM sind flüchtig.