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Wie sich NOR-Flash für IoT, Mobile Apps und Robotik eignet

NOR-Flash liefert schnelle wahlfreie Lesezugriffe und verspricht eine lange Lebensdauer- und eignet sich daher vor allem für Autos, Medizinprodukte und Wearables.

Wird über Flash-Datenspeicher gesprochen, konzentriert man sich in der Regel auf NAND-Technologien. NOR ist eine andere Art von Flash-Speicher. Unter bestimmten Umständen, insbesondere in Embedded Devices, kann diese Technologie besser geeignet sein.

NOR liefert schnellere wahlfreie (Random) Leseoperationen als NAND. Außerdem ist er zuverlässiger und verbraucht weniger Strom. NOR-Flash-Speicher ist jedoch bei sequentiellen Lese- sowie bei Schreib- und Löschvorgängen langsamer und oft teurer, weshalb er nur für bestimmte Anwendungsfälle geeignet ist.

Grundlagen des NOR-Flash-Memory

NOR ist ein Konzept für nichtflüchtigen Speicher, bei dem die Daten ähnlich wie in einem NAND-Speicherchip in Speicherzellen gespeichert werden. Eine NOR-Zelle ähnelt dabei einem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), bei dem die Spannung die elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Der Hauptunterschied zwischen einer NOR-Zelle und einem regulären MOSFET besteht darin, dass die NOR-Zelle zwei Gates – das Floating Gate und das Control Gate – anstelle von einem enthält.

Die Gates bestimmen, wie elektrische Ladungen in der Zelle gespeichert werden. Eine Isolierschicht trennt die beiden Gates, und eine Tunneloxidschicht trennt das Floating Gate vom darunterliegenden Substrat. Diese Tunneloxidschicht ist dünn genug, um Elektronen in das Floating Gate hinein- und herauszulassen und so den Mechanismus zur Datenspeicherung zu ermöglichen. Ein Ende der Zelle ist mit der Source-Leitung und das andere Ende mit der Drain-Leitung verbunden, die zur Programmierung der Zellen verwendet wird.

Moderner NOR-Speicher (Memory) ist in zwei Ausführungen erhältlich: parallel und seriell. Der parallele NOR-Speicher, der größere der beiden Typen, ist schon länger auf dem Markt und hat eine deutlich höhere Anzahl an PINs. Parallel-NOR verwendet einen parallelen Adress- und Datenbus, ähnlich statischem RAM, und bietet einen höheren Systemdurchsatz als das serielles NOR-Flash, was zu schnelleren Systemstartzeiten führt.

Serieller NOR-Flash ist in der Regel kleiner als Parallel-NOR, verbraucht weniger Strom und kostet in der Regel weniger, bietet aber dennoch eine gute Leistung. Viele serielle NOR-Module verwenden inzwischen einen seriellen Peripherie-Schnittstellenbus (Serial Peripheral Interface, SPI), weshalb sie oft als SPI-NOR bezeichnet werden.

NOR oder NAND – welcher Flash-Speicher besser ist

NOR-Flash führt zufällige Leseoperationen schneller als NAND durch. NOR ist außerdem tendenziell zuverlässiger und verbraucht weniger Strom. Allerdings ist NOR beim seriellen Lesen und Löschen und Schreiben von Daten langsamer und in der Herstellung teurer als NAND, was zu höheren Kosten pro Bit führt. Ein NAND-Speichergerät kann größere Datenspeicherkapazitäten liefern, während ein NOR-Modul typischerweise 2 GB erreicht.

Anders als NAND-Flash verwendet NOR keine gemeinsam genutzten Verbindungen, bietet direkte Konnektivität zu einzelnen Speicherzellen und verfügt über genügend Adress- und Datenleitungen, um den gesamten Speicherbereich abzubilden. Infolgedessen kann NOR einen schnelleren zufälligen Zugriff auf jede beliebige Stelle im Speicherbereich ermöglichen. Bei NAND-Flash werden die Speicherzellen aneinandergereiht, um die Dichte zu erhöhen, was zu komplexeren Leseoperationen und längeren zufälligen Zugriffszeiten führt.

NAND ist schneller beim sequentiellen Lesen von Daten sowie beim Programmieren und Löschen von Daten. Es kann Daten auch in kleinere Paketen schreiben als NOR. Auch die Mechanismen zum Löschen von Daten sind effizienter. Darüber hinaus sind die NAND-Speicherzellen viel kleiner, was zu höheren Dichten und niedrigeren Kosten pro Bit führt. Aber im Gegensatz zu NOR-Flash ist NAND anfälliger für Bitfehler, weshalb NAND Techniken wie Error Correction Code enthalten muss.

Anwendungsfälle für NOR-Flash-Speicher

NAND-Flash wird typischerweise für die Datenspeicherung verwendet und NOR-Flash wird als eingebettetes Gerät für die Codeausführung eingesetzt. NOR-Flash wird für Industrieroboter, medizinische Geräte, wissenschaftliche Instrumente, Industrie-4.0-Technik, IoT-Geräte oder tragbare Konsumgüter wie Kameras, Wearables oder Mobiltelefone verwendet. NOR kann neben NAND auch in Geräten wie Smartphones und Tablets eingesetzt werden.

NOR mag für die meisten Anwender unsichtbar sein, zumindest an der Oberfläche, aber es wird wahrscheinlich noch einige Zeit lang eine wichtige Rolle spielen.

NOR-Geräte können auch in Netzwerkkomponenten wie Router, Switches oder Gateways eingebettet werden. Die Automobilindustrie hat ein großes Interesse an Embedded-NOR gezeigt – nicht nur wegen der Zuverlässigkeit, sondern auch wegen des größeren Temperaturbereichs, dem NOR standhalten kann. Damit eignet sich NOR zum Beispiel gut für Komponenten unter der Motorhaube und im Armaturenbrett. Das können beispielsweise Touchscreens, Infotainment-Komponenten oder fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme sein.

Ein Embedded-NOR-Device lässt sich als Codespeicher für alle schreibgeschützten Anwendungen verwenden, die schnellen wahlfreien Zugriff und hohe Zuverlässigkeit erfordern. Das könnten zum Beispiel Boot-, Betriebssystem- oder Execute-in-Place-Codes sein. NOR ermöglicht kurze Initialisierungszeiten. Das macht sich in Systemen, die schnelle und zuverlässige Boot-Prozesse erfordern, wirklich gut. Darüber hinaus können auf einem NOR-Speicherchip gespeicherte Programme direkt ausgeführt werden, ohne in den RAM-Speicher kopiert werden zu müssen. Dieser Vorgang wäre mit NAND wesentlich schwieriger.

Der Markt für NOR-Flash heute

Mehrere Anbieter bieten NOR-Flash-Module an, darunter Cypress Semiconductor, Macronix International, Micron Technology und Winbond Electronics. Cypress vertreibt beispielsweise ein serielles 256-MB-NOR-Flash-Modul, das mit einem Temperaturbereich von -40 °C bis 105 °C für den Einsatz im Automobilbereich geeignet ist. Der Baustein basiert auf der Quad-SPI-Schnittstelle und hat eine Betriebsspannung von 3 Volt. Es kostet zwischen 4,12 und 7,08 US-Dollar, abhängig von der Anzahl der gekauften Stückzahl.

Obwohl es schwierig ist, die Zukunft vorherzusagen – und das gilt auch für NOR-Flash – erweist sich diese Technologie als eine der besten Optionen für die Embedded Storage in tragbaren Konsumgütern, Automobilkomponenten, IoT-Geräten und andere Systemen. Durch das schnelle wahlfreie Lesen und die hohe Zuverlässigkeit eignet sich NOR-Flash für viele Anwendungsfälle, vor allem denen aus den Wachstums-Bereichen Mobilität und IoT.

NOR mag für die meisten Verbraucher momentan unsichtbar sein, und das stimmt zumindest oberflächlich betrachtet. Dennoch wird NOR-Flash noch für lange Zeit eine entscheidende Rolle bei der Speicherung von Code und Daten in Flash-Speicher spielen.

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