Nederlands
Menu

DRAM versus NAND-flash: vluchtigheid, snelheid, capaciteit en toepassingen vergeleken

DRAM slaat data op als lading in een condensator en kan snel lezen en schrijven, maar de data verdwijnt als de voeding wordt uitgeschakeld. NAND-flash slaat data op door elektronen op te sluiten in een laag die door isolatielagen is omgeven, zodat de data ook zonder voeding behouden blijft en de kosten per bit laag kunnen zijn. Lezen en schrijven gaat echter veel langzamer dan bij DRAM, en het aantal herschrijvingen is beperkt. Daarom gebruiken pc's en smartphones DRAM als werkgeheugen en NAND als opslag, zoals in SSD's.

KenmerkDRAMNAND-flash
OpslagprincipeEén transistor en één condensator (1T1C). Opslag via de aan- of afwezigheid van lading op de condensatorEen transistor met een instelbare drempelspanning. Opslag via de hoeveelheid elektronen in een floating gate of een charge-trap-laag
Zonder voedingDe data gaat verloren (vluchtig)De data blijft behouden (niet-vluchtig)
RefreshVereist (doorgaans alle rijen binnen 64 ms)Niet nodig. De lading lekt echter langzaam weg, dus de bewaartijd van data is beperkt
Eenheid van lezen en schrijvenWillekeurige toegang in kleine eenheden (in de praktijk burst-overdrachten van enkele tientallen bytes)Lezen en schrijven per page (enkele KB tot ruim tien KB), wissen per nog groter block
OverschrijvenDirect overschrijven is mogelijkOverschrijven is niet mogelijk. Er moet eerst per block worden gewist en daarna geschreven
ToegangstijdEnkele tientallen nanosecondenLezen in de orde van tientallen microseconden, schrijven nog langer, in de orde van honderden microseconden
SchrijfduurzaamheidIn de praktijk geen beperkingBeperkt (indicatief ongeveer 50.000 tot 100.000 cycli bij SLC, enkele duizenden bij TLC en ongeveer 1.000 bij QLC)
Technieken voor grotere capaciteitVerkleining en driedimensionale condensatoren (diepe, hoge condensatorstructuren)3D NAND, waarbij cellen verticaal worden gestapeld, en multi-level opslag met meerdere bits per cel
Kosten per bitHoogVeel lager dan DRAM
Belangrijkste toepassingenWerkgeheugen van pc's en servers, LPDDR in smartphones, GDDR en HBM voor GPU'sSSD's, interne opslag van smartphones, USB-sticks, SD-kaarten

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

DRAM
Wanneer de CPU of GPU snel data moet lezen en schrijven waaraan wordt gewerkt. Gebruikt als werkgeheugen voor draaiende programma's en hun data.
NAND-flash
Wanneer grote hoeveelheden data goedkoop en zonder voeding bewaard moeten blijven. Gebruikt als opslag voor het besturingssysteem, apps, foto's en video's.
Combinatie
Een computer laadt data die op NAND is opgeslagen eerst in DRAM en verwerkt die daar. Er zijn ook SSD's met DRAM aan boord om beheerinformatie tijdelijk in op te slaan.

Veelgestelde vragen

Wat is het belangrijkste verschil tussen DRAM en NAND?

Of de data behouden blijft als de voeding wordt uitgeschakeld. DRAM is vluchtig geheugen waarvan de data verdwijnt zonder voeding; NAND is niet-vluchtig geheugen dat de data ook zonder voeding behoudt. DRAM is snel en NAND heeft een grote capaciteit en is goedkoop, dus ze worden voor verschillende taken gebruikt.

Is dit hetzelfde als het verschil tussen ‘geheugen’ en ‘opslag’ in een pc?

In grote lijnen wel. Wat in de specificaties van een pc ‘geheugen’ heet, is DRAM, en de SSD die als ‘opslag’ wordt vermeld, bevat NAND-flash.

Waarom kan NAND maar een beperkt aantal keren worden herschreven?

Bij elk schrijven en wissen gaan elektronen door een dunne isolatielaag, waardoor die laag geleidelijk beschadigt en de lading minder goed vasthoudt. De controller van een SSD verlengt de levensduur met wear leveling, dat de schrijfacties over het geheel verdeelt, en met foutcorrectie.

Worden DRAM en NAND door dezelfde bedrijven gemaakt?

Sommige bedrijven maken beide. Samsung Electronics, SK hynix en Micron Technology produceren zowel DRAM als NAND. Kioxia produceert vooral NAND.

Test uw begrip

Welke opbouw is juist voor een geheugencel van 1 bit van een gewoon DRAM?

  1. AEén transistor en één condensator
  2. BZes transistors
  3. CEén transistor met floating gate
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Eén transistor en één condensator

Een DRAM-cel bestaat uit één transistor en één condensator (1T1C) en slaat 1 bit op aan de hand van de aanwezigheid van lading in de condensator. De condensator is met circa 10 fF zeer klein, en een verschil van slechts enkele tienduizenden elektronen onderscheidt 0 en 1. Door het geringe aantal componenten is het celoppervlak met circa 6F² klein, wat geschikt is voor grote capaciteiten. Zes transistors vormen de celopbouw van SRAM en een transistor met floating gate die van flashgeheugen.

Waarom is bij DRAM periodiek verversen (refresh) nodig?

  1. AOm de leessnelheid te verhogen
  2. BOmdat het aantal schrijfbewerkingen een bovengrens heeft
  3. COmdat de in de condensator opgeslagen lading door lekstroom geleidelijk verloren gaat
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Omdat de in de condensator opgeslagen lading door lekstroom geleidelijk verloren gaat

De lading van de condensator gaat langzaam verloren door subthreshold-lekstroom en junctielekstroom van de celtransistor. Bij een refresh worden de gegevens gelezen en teruggeschreven voordat ze niet meer te onderscheiden zijn; volgens de specificatie worden tot en met DDR4 alle rijen binnen 64 ms doorlopen, en bij DDR5 binnen 32 ms. Tijdens de refresh is de betreffende bank niet toegankelijk en wordt vermogen verbruikt, zodat de belasting toeneemt naarmate de capaciteit groter wordt. Een bovengrens aan het aantal schrijfbewerkingen is een kenmerk van flashgeheugen.

Welke eigenschap van DRAM is juist?

  1. AHet is vluchtig geheugen: gegevens gaan verloren als de voeding wordt uitgeschakeld
  2. BHet is niet-vluchtig geheugen: gegevens blijven behouden als de voeding wordt uitgeschakeld
  3. CHet is een alleen-lezen geheugen waarvan de gegevens niet kunnen worden herschreven
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het is vluchtig geheugen: gegevens gaan verloren als de voeding wordt uitgeschakeld

DRAM slaat informatie op met lading en is vluchtig geheugen: bij uitschakelen van de voeding wordt de lading niet vastgehouden en gaan de gegevens verloren. Het verschil met het eveneens vluchtige SRAM is dat ook bij ingeschakelde voeding refresh nodig is. Wordt het geheugen direct na uitschakelen gekoeld, dan kunnen de gegevens echter enkele seconden tot enkele minuten blijven bestaan, en de zogeheten cold-bootaanval, die dit misbruikt om cryptografische sleutels uit het geheugen te lezen, is bekend. Niet-vluchtig zijn onder meer flashgeheugens.

  1. Welke uitspraak over de kenmerken van NAND-flashgeheugen ten opzichte van NOR is juist?
  2. Wat is de juiste eenheid waarin gegevens in NAND-flashgeheugen worden gewist?
  3. Welke uitspraak over 3D-NAND-flashgeheugen is juist?
  4. Welke combinatie van twee producten is juist voor het grootste deel van de omzet op de geheugenhalfgeleidermarkt?

Oefenvragen over DRAM

Belangrijke termen uitgelegd

1T1C-cel
DRAM-geheugencel die één bit opslaat met één transistor en één condensator. De aan- of afwezigheid van lading op de condensator staat voor 0 en 1.
Refresh
Bewerking waarbij de data van DRAM periodiek worden uitgelezen en teruggeschreven voordat de lading van de condensatoren door lekkage verloren gaat.
NAND-flashgeheugen
Niet-vluchtig geheugen waarin de geheugencellen in serie zijn geschakeld. Het is dicht te integreren en gemakkelijk tot grote capaciteit uit te breiden; het wordt gebruikt in ssd's en geheugenkaarten.
3D NAND
NAND-flash waarin geheugencellen in verticale richting in groten getale op elkaar zijn gestapeld voor grotere capaciteit. Ingevoerd om de grens van vlakke schaalverkleining te omzeilen; het aantal lagen bedraagt inmiddels meer dan 200.
Niet-vluchtig geheugen
Geheugen dat opgeslagen data behoudt ook wanneer de voeding wordt uitgeschakeld, zoals flashgeheugen en MRAM. DRAM en SRAM zijn vluchtig.
Wear leveling
Techniek die de levensduur van flashgeheugen verlengt door schrijfacties te spreiden, zodat het herschrijven zich niet op bepaalde blokken concentreert.

Verwante vergelijkingen