NAND-Speicher

Wie viele Bits pro Zelle?

Je mehr Bits eine Zelle speichert, desto mehr Daten passen auf den Chip, aber desto genauer muss die Ladung unterschieden werden. Das macht die Zellen empfindlicher und senkt die Zahl der möglichen Schreibvorgänge. Hersteller gleichen das mit cleveren Controllern, Fehlerkorrektur und einem schnellen Zwischenspeicher aus.

Wie lange hält NAND?

Jede Zelle verträgt nur eine begrenzte Zahl an Lösch- und Schreibvorgängen. Der Controller verteilt deshalb die Schreibvorgänge gleichmäßig über alle Zellen und hält Reserven vor, die defekte Zellen ersetzen. Bei normaler Smartphone-Nutzung reicht die Lebensdauer weit über die übliche Nutzungszeit des Geräts hinaus. Probleme treten eher bei sehr günstigen Chips, sehr vollem Speicher oder extrem vielen Schreibvorgängen auf.

NAND und Verschlüsselung

Bei modernen iPhones und Android-Geräten sind die Daten auf dem NAND verschlüsselt. Der Schlüssel liegt nicht im Speicherchip, sondern im Prozessor, beim iPhone in der Secure Enclave. Das hat Folgen für Reparaturen: Ein NAND-Chip lässt sich nicht einfach in ein anderes Gerät setzen und auslesen. Der Speicher gehört untrennbar zum Prozessor.

Typische NAND-Fehler

Ein defekter NAND zeigt sich oft durch einen Bootloop, durch Fehlermeldungen bei der Wiederherstellung über den Computer oder durch ein Gerät, das plötzlich sehr langsam wird. Manchmal sind nur die Lötverbindungen unter dem Chip betroffen, etwa nach einem Sturz. Dann kann ein Neuverlöten helfen. Ist der Chip selbst defekt, muss er ersetzt werden, und die Daten darauf sind in der Regel verloren.

Wie eine Speicherzelle Daten hält

NAND-Speicher speichert Daten als elektrische Ladung in winzigen Zellen. Jede Zelle ist ein besonderer Transistor mit einer zusätzlichen Schicht, in der Elektronen eingeschlossen werden können. Je nachdem, wie viele Elektronen dort gefangen sind, ändert sich das Verhalten des Transistors. Das Gerät liest diesen Zustand aus und erkennt so, welche Bits gespeichert sind.

Das Besondere: Die Ladung bleibt auch ohne Strom erhalten. Deshalb behält ein Smartphone seine Fotos, wenn der Akku leer ist. Allerdings nutzt sich die isolierende Schicht bei jedem Schreib- und Löschvorgang ein wenig ab. Nach sehr vielen Zyklen kann eine Zelle die Ladung nicht mehr zuverlässig halten.

Der Name NAND stammt von der Art, wie die Zellen verschaltet sind. Sie sind in Ketten angeordnet, ähnlich einem logischen NAND-Gatter. Diese Anordnung erlaubt eine sehr hohe Speicherdichte und macht NAND günstig in der Herstellung.

3D-NAND: In die Höhe statt in die Breite

Lange Zeit wurden Speicherzellen immer kleiner gemacht, um mehr Daten auf einen Chip zu bringen. Irgendwann stieß diese Verkleinerung an physikalische Grenzen. Die Zellen lagen so dicht beieinander, dass sie sich gegenseitig störten. Die Lösung war 3D-NAND, bei dem die Zellen in vielen Schichten übereinandergestapelt werden.

Moderne Speicherchips haben über 200 solcher Schichten. Dadurch passen auf einen Chip von der Größe eines Fingernagels hunderte Gigabyte. Gleichzeitig konnten die einzelnen Zellen wieder etwas größer werden, was ihre Haltbarkeit verbessert.

Der Controller: Das Gehirn des Speichers

NAND-Zellen allein sind ein unzuverlässiger Speicher. Erst der Controller macht daraus ein stabiles Laufwerk. Er verteilt Schreibvorgänge gleichmäßig auf alle Zellen, damit keine Zelle vorzeitig verschleißt. Dieses Verfahren heißt Wear Leveling. Außerdem korrigiert er Lesefehler mit Fehlerkorrekturcodes und ersetzt schwache Zellen durch Reservezellen.

Ein weiteres wichtiges Verfahren ist die Garbage Collection. NAND-Zellen können nicht einzeln überschrieben werden, sondern nur in großen Blöcken gelöscht werden. Der Controller sammelt deshalb gültige Daten, kopiert sie um und löscht dann ganze Blöcke im Hintergrund. Der Befehl TRIM teilt dem Controller mit, welche Daten gelöscht wurden, damit er effizient aufräumen kann.

NAND in verschiedenen Geräten

Bei Apple ist eine Besonderheit, dass der Speichercontroller nicht im Speicherchip sitzt, sondern im Hauptprozessor. Die NAND-Chips auf der Platine enthalten nur die Speicherzellen. Das ist ein Grund, warum Speicher und Prozessor bei Apple-Geräten so eng zusammengehören und ein Tausch des Speichers nicht einfach möglich ist.

Lässt sich NAND tauschen oder erweitern?

Bei Laptops mit SSD-Modul lässt sich der Speicher meist einfach tauschen oder vergrößern. Bei Smartphones und vielen modernen Laptops ist der NAND-Chip dagegen fest auf die Platine gelötet. Ein Tausch ist technisch möglich, erfordert aber Spezialwerkzeug und bei vielen Geräten das Programmieren des neuen Chips mit gerätespezifischen Daten.

Wichtig: Ein getauschter Speicherchip ist leer. Alle Daten auf dem alten Chip sind danach für dieses Gerät verloren, selbst wenn der alte Chip noch funktioniert, weil die Daten verschlüsselt und an Prozessor und Chip gebunden sind. Ein NAND-Tausch ist deshalb eine Reparatur, um ein Gerät wieder nutzbar zu machen, aber keine Datenrettung.

Wie du die Lebensdauer verlängerst

Im normalen Alltag musst du dir um den Verschleiß von NAND-Speicher kaum Sorgen machen. Ein Smartphone wird meist ersetzt, lange bevor der Speicher abgenutzt ist. Trotzdem gibt es Dinge, die helfen: Halte immer etwas freien Speicher, damit der Controller genug Platz für das Verteilen der Schreibvorgänge hat.

Ein komplett voller Speicher macht das Gerät nicht nur langsamer, sondern belastet auch die verbleibenden freien Zellen stärker. Als Faustregel gilt: Lass mindestens zehn Prozent frei. Und sichere deine Daten regelmäßig, denn auch der beste Speicher kann einmal ausfallen.

Warum Speicher unterschiedlich schnell ist

Nicht jeder NAND-Speicher ist gleich schnell. Die Geschwindigkeit hängt von der Bauform, dem Controller und der Zahl der parallel genutzten Chips ab. Ein Gerät mit größerem Speicher ist oft etwas schneller als dasselbe Modell mit kleinem Speicher, weil mehr Chips gleichzeitig angesprochen werden können.

Viele Geräte nutzen außerdem einen schnellen Zwischenspeicher. Ein Teil der Zellen wird dabei so betrieben, als würden sie nur ein Bit speichern. Das macht das Schreiben sehr schnell. Ist dieser Bereich voll, etwa beim Kopieren sehr großer Videos, sinkt die Geschwindigkeit deutlich. Im Alltag merkst du davon meist nichts.

Ein fast voller Speicher wird ebenfalls langsamer, weil der Controller weniger Platz zum Umsortieren hat. Das ist einer der Gründe, warum Smartphones mit vollem Speicher träge wirken.

Was passiert, wenn ein Gerät lange liegt?

Die Ladung in NAND-Zellen bleibt nicht unbegrenzt erhalten. Über sehr lange Zeit kann sie langsam entweichen, vor allem bei hoher Temperatur und bei bereits stark abgenutzten Zellen. Bei einem Smartphone oder einer SSD, die im normalen Gebrauch ist, spielt das keine Rolle, weil der Controller die Daten regelmäßig prüft und bei Bedarf auffrischt.

Anders bei Geräten, die jahrelang ausgeschaltet in der Schublade liegen. Hier können im Extremfall einzelne Daten unlesbar werden. Für die Langzeitarchivierung wichtiger Daten ist ein einzelnes altes Gerät deshalb kein guter Ort. Besser sind regelmäßig aktualisierte Backups auf mehreren Medien.

Zusammengefasst ist NAND-Speicher die Grundlage für alle Daten auf deinem Smartphone, Tablet und Laptop. Er ist robust und hält im normalen Gebrauch viele Jahre. Fällt er aus, ist eine Datenrettung bei modernen, verschlüsselten Geräten nur über eine Reparatur des Geräts selbst möglich.

Häufige Fragen