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NOR Flash Memory

NOR-Flash-Arbeitsspeicher ist eine von zwei Arten von nichtflüchtigen Speichertechnologien, wobei NAND die andere ist. Nichtflüchtiges Memory benötigt keinen Strom, um Daten zu speichern.

NOR und NAND verwenden unterschiedliche Logikgatter - der grundlegende Baustein digitaler Schaltungen - in jeder Speicherzelle, um Daten zuzuordnen. Beide Arten von Flash-Arbeitsspeicher wurden von Toshiba erfunden, aber kommerzielles NOR Flash Memory wurde zuerst von Intel im Jahr 1988 eingeführt. NAND-Flash wurde von Toshiba im Jahr 1989 eingeführt.

NOR Flash vs. NAND Flash

NOR Flash kann schnellere Leseoperationen durchführen als NAND-Flash, aber es ist auch teurer und es dauert länger, neue Daten zu löschen und zu schreiben. NAND hat eine höhere Speicherkapazität als NOR.

Auf NAND-Speicherbausteine wird seriell zugegriffen, wobei die gleichen acht Pins zur Übertragung von Steuer-, Adress- und Dateninformationen verwendet werden. NAND kann auf eine einzelne Speicheradresse schreiben, und zwar mit acht Bits - einem Byte - auf einmal.

Im Gegensatz dazu unterstützt die ältere, parallele NOR-Flash-Technologie den Zufallszugriff (Random Access) mit einem Byte. Dadurch können Maschinenbefehle direkt vom Chip abgerufen und ausgeführt werden - auf die gleiche Weise, wie ein herkömmlicher Computer Befehle direkt vom Hauptspeicher abruft. Allerdings müssen bei NOR größere Datenpakete auf einmal geschrieben werden als bei NAND. Paralleles NOR Flash verfügt über eine SRAM-Schnittstelle (Static Random Access Memory), die genügend Adresspins enthält, um den gesamten Chip abzubilden und den Zugriff auf jedes darin gespeicherte Byte zu ermöglichen.

Die NOR-Flash-Technologie ist auch teurer in der Herstellung und hat höhere Kosten pro Bit als NAND. Das und die Random-Access-Funktion bedeuten, dass NOR hauptsächlich für die Code-Ausführung verwendet wird, während NAND-Flash-Speicher hauptsächlich für die Datenspeicherung verwendet wird.

Wenn es um den Stromverbrauch geht, benötigt NOR Flash Memory mehr Strom als NAND, wenn er zum ersten Mal eingeschaltet wird. Nach dem Einschalten ist der Standby-Strombedarf für NOR jedoch viel geringer als für NAND. Daher ist NOR im Allgemeinen besser für zufällige Lesevorgänge aus dem Speicher geeignet, während NAND bei Schreibvorgängen, Löschvorgängen und sequenziellen Lesevorgängen effizienter ist.

Abbildung 1: NAND und NOR Gates im Vergleich.
Abbildung 1: NAND und NOR Gates im Vergleich.

NOR Flash wird am häufigsten in Mobiltelefonen, wissenschaftlichen Instrumenten und medizinischen Geräten eingesetzt. NAND hat einen Markt in Geräten gefunden, auf die häufig große Dateien hochgeladen und ausgetauscht werden, wie MP3-Player, Digitalkameras und USB-Flash-Laufwerke.

Einige Geräte verwenden sowohl NAND als auch NOR Flash. Ein Smartphone oder Tablet könnte zum Beispiel eingebettetes NOR zum Hochfahren des Betriebssystems (OS) und eine herausnehmbare NAND-Karte für alle anderen Memory- oder Speicheranforderungen verwenden.

Vorteile von NOR-Flash

Der Hauptvorteil bei der Verwendung von NOR ist, dass es eine weitaus bessere Leseleistung als ein vergleichbares NAND-Gerät bietet. Zum Vergleich: Ein NAND-Multi-Level-Cell (MLC)-Flash-Gerät kann Daten mit einer Geschwindigkeit von etwa 20,5 MB/s lesen, während vergleichbare NOR-MLC-Flash-Geräte im Benchmarking Leseraten von 61,5 MB/s aufweisen.

Gleichzeitig sind jedoch die Schreib- und Löschvorgänge von NOR wesentlich langsamer als bei NAND Memory. Ein NAND-MLC-Baustein kann Daten mit 3,2 MB/s schreiben, während ein vergleichbarer NOR-MLC-Baustein nur in der Lage ist, Daten mit etwa 0,47 MB/s zu schreiben. Zusätzlich begrenzt die Größe der einzelnen Zellen die Gesamtspeicherkapazität.

Die Einschränkungen von NOR in Kombination mit der Tatsache, dass NOR eine schnelle Leseleistung liefert, bedeutet, dass NOR am besten für Anwendungsfälle geeignet ist, in denen eine begrenzte Datenmenge gespeichert werden muss und in denen der Großteil des Speicher-I/Os  Lese-IOPS sind.

Das ist der Grund, warum NOR Flash so häufig in Consumer-Geräten wie Tablets und Smartphones verwendet wird. Diese Geräte haben in der Regel relativ leichtgewichtige Betriebssysteme, die leicht in die begrenzte Kapazität von NOR passen. Durch die charakteristische schnelle Leseleistung von NOR kann das Betriebssystem viel schneller gebootet werden, als es möglich wäre, wenn das Betriebssystem des Geräts auf NAND-Speicher gespeichert wäre.

Abbildung 2: Die einzelnen Memory-Typen und ihre Leistungsmerkmale im Überblick.
Abbildung 2: Die einzelnen Memory-Typen und ihre Leistungsmerkmale im Überblick.

Mobile Betriebssysteme neigen dazu, nicht schreibintensiv zu sein, was NOR ebenfalls zu einer guten Wahl macht. Da NOR-Flash-Zellen jedoch eine vergleichsweise schlechte Schreibleistung aufweisen, kann dies zu langsamen Betriebssystem-Updates führen.

NOR ist auch eine ausgezeichnete Wahl für den Einsatz in eingebetteten Systemen (Embedded Systems), da diese Systeme dazu neigen, während des Bootvorgangs Code zu lesen, aber nur wenige, wenn überhaupt, Schreibvorgänge durchführen.

Anbieter und Produkte

Laut einem Bericht des Marktforschungsunternehmens Technavio (Stand 2016) sind die fünf größten Anbieter von NOR-Flash-Speichern Cypress Semiconductor, GigaDevice Semiconductor, Macronix International, Micron Technology und Winbond Electronics.

Von diesen liefert Cypress Semiconductor auch Komponenten für eingebettete Systeme, die NOR-Flash-Speicher für Branchen wie die Automobilindustrie und das Internet der Dinge (IoT) verwenden. Im Vergleich dazu ist Micron Technologies hauptsächlich als Lieferant von Flash-Chips - sowohl NOR als auch NAND - sowie von dynamischem RAM (DRAM) für Komponentenhersteller bekannt.

Serieller NOR

Es gibt zwei Haupttypen von NOR-Speicherchips: paralleles NOR und serielles NOR. Einer der Hauptunterschiede zwischen seriellem NOR und parallelem NOR besteht darin, dass serielle Flash-Bausteine weniger Anschlüsse auf der Leiterplatte benötigen als parallele Flash-Bausteine. Die Tatsache, dass serielles NOR eine weniger komplexe Schnittstelle als paralleles NOR verwendet, bedeutet, dass die Herstellung von seriellen NOR-Speichergeräten weniger kostet.

SPI-NOR-Flash-Speicherchips sind in Sektoren und Pages (Seiten) organisiert. Ein Sektor ist definiert als die kleinste löschbare Blockgröße. Sektoren können in Pages unterteilt werden. Daten können in Page-großen Blöcken geschrieben werden, obwohl Pages in der Regel viel kleiner sind als Sektoren. Zum Vergleich: Sektoren werden normalerweise in Kilobyte (KB) gemessen, wobei 4, 32, 64 und 256 KB gängige Sektorgrößen sind. Umgekehrt werden Page-Größen in der Regel in Byte gemessen, wobei 256 und 512 Byte gängige Seitengrößen sind.

Die Art und Weise, wie Daten in einen SPI-NOR-Baustein geschrieben werden, hängt davon ab, ob der Speicherchip mit einem Puffer ausgestattet ist. Wenn der serielle Flash-Arbeitsspeicher gepuffert ist, kann eine Seite in den Puffer gelesen, modifiziert und zurück in den Chip geschrieben werden. Wenn der SPI-NOR-Baustein nicht gepuffert ist, muss die gesamte Page extern gelesen, modifiziert und in den Chip zurückgeschrieben werden. Daher haben gepufferte SPI-NOR-Bausteine in der Regel eine bessere Schreibleistung als vergleichbare ungepufferte Flash-Bausteine.

Diese Definition wurde zuletzt im Februar 2021 aktualisiert
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