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[[Datei:Huawei E367, O2 Surfstick Plus - Hynix H8BCS0PH0ACR-8489.jpg|mini|NAND-Flash-Chip von [[SK Hynix]]]]
'''NAND-Flash''' bezeichnet einen Typ von [[Flash-Speicher]], der mit der sogenannten ''NAND-Technik'' gefertigt ist. Hierbei sind die Einzel-Speicherzellen ([[Floating-Gate-Transistor]]en oder [[Charge-Trapping-Speicher]]zellen) seriell verschaltet, was an die serielle Anordnung der Transistoren in einem [[NMOS-Logik|NMOS]]-[[NAND-Gatter]] erinnert. NAND-Flash-Speicher haben eine hohe Verbreitung erfahren und werden zum Beispiel in [[SD-Karte]]n und in [[Solid-State-Drive]]s verbaut.

== Aufbau ==
[[Datei:Nand flash structure.svg|mini|hochkant=1.75|Aufbau und Struktur einer NAND-Zelle. Die einzelnen MOSFETs einer Zelle liegen in unterschiedlichen Pages innerhalb eines Blockes.]]

Beim NAND-Flash werden wie bei allen Flash-Speichern die Informationen ([[Bit]]s) in einer Speichereinheit (Speicherzelle) in Form von [[Elektrische Ladung|elektrischen Ladungen]] auf einem [[Floating-Gate-Transistor|Floating-Gate]] oder in einem [[Charge-Trapping-Speicher]]element gespeichert. Anders als beim [[NOR-Flash]], in dem die Speicherzellen über Datenleitungen parallel geschaltet sind, sind die Speicherzellen beim NAND-Flash in größeren Gruppen hintereinander geschaltet (Reihenschaltung). Dies spart Datenleitungen ein. Der Platzbedarf für eine Flash-Speicherzelle in NAND-Technik beträgt laut [[Toshiba]] nur etwa <sup>2</sup>/<sub>5</sub> der Fläche, die für eine Speicherzelle mit [[NOR-Flash|NOR-Technik]] erforderlich ist<ref>{{Internetquelle |url=https://www.curtisswrightds.com/sites/default/files/2022-03/Flash-Memory-Lifespan-and-Reliability-white-paper_1.pdf |titel=Flash Memory Lifespan and Reliability |hrsg=Curtiss-Wright |datum=2020 |format=PDF |sprache=en |abruf=2022-06-29}}</ref>.

NAND-Flashs arbeiten grundsätzlich page- und blockorientiert. Eine ''Page'' besteht aus einer Zusammenfassung von mindestens 512 [[Byte]]s an Speicherzellen. Im Zuge der Miniaturisierung der Transistoren und damit einhergehenden Erhöhung der Speicherdichte wurde die Page Größe aber bis 2005 auf zunächst 2048 Bytes erhöht<ref>{{Internetquelle |url=https://www.micron.com/support/~/media/74C3F8B1250D4935898DB7FE79EB56E7.ashx |titel=TN-29-07: Small-Block vs. Large-Block NAND Flash Devices Introduction |hrsg=Micron |datum=2005 |format=PDF |sprache=en |abruf=2022-06-29 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20231029033047/http://www.micron.com/support/~/media/74C3F8B1250D4935898DB7FE79EB56E7.ashx |archiv-datum=2023-10-29 |offline=ja |archiv-bot=2024-03-24 06:05:22 InternetArchiveBot }}</ref>. Bis 2022 wurde die Page-Größe sukzessive auf bis zu 16 kB vergrößert<ref>{{Literatur |Autor=Ted Pekny et al. |Titel=A 1-Tb Density 4b/Cell 3D-NAND Flash on 176-Tier Technology with 4-Independent Planes for Read using CMOS-Under-the-Array |Sammelwerk=IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) |Datum=2022 |Seiten=1-3 |DOI=10.1109/ISSCC42614.2022.9731691}}</ref>. Mehrere Pages sind zu einem ''Block'' gruppiert. Die Größe der Blöcke lag bei kleineren Speichergrößen bei 16 [[Byte|kB]] und ist inzwischen bei größeren Speicherbausteinen auf 2 bis 20 MiB angewachsen<ref>{{Internetquelle |url=https://www.swissbit.com/files/public/Documents/TechNotes/AN2104en_FTL_types.pdf |titel=AN2104en FTL types: block based vs. page based mapping |hrsg=Swissbit |datum=2022 |format=PDF |sprache=en |abruf=2022-06-28}}</ref>.

Pages können nur einmal beschrieben werden; weitere Schreibvorgänge sind erst nach einem erneuten Löschen möglich. Aufgrund der Gruppierung ist ein Löschen einer Page jedoch nur über ein Löschen des Blocks möglich, in dem sie liegt. Wie bei Flash-Speichern üblich, können die Bits in den Bytes nur von 1 nach 0 gekippt werden. Der umgekehrte Weg ist nur mithilfe eines Löschvorgangs zu erreichen.<ref>{{Literatur |Autor=Peter Desnoyers |Titel=Empirical evaluation of NAND flash memory performance |Sammelwerk=ACM SIGOPS Operating Systems Review |Band=44 |Nummer=1 |Datum=2010 |Seiten=50-54 |Sprache=en |DOI=10.1145/1740390.1740402}}</ref>

Bei NAND-Flashs ist es üblich, dass bereits zum Zeitpunkt der Auslieferung defekte Blöcke, sogenannte [[Defekter Datenblock|Bad Blocks]], vorhanden sind. Diese werden bereits vom Hersteller durch spezielle Tests detektiert und als defekt markiert. Später müssen sie von der Treibersoftware berücksichtigt werden. Garantiert ist von den meisten NAND-Flash-Herstellern, dass der erste Block eines Speicherbausteins für eine bestimmte Anzahl von Schreibvorgängen fehlerfrei ist.<ref>{{Internetquelle |autor=Kelly Hirsch |url=https://www.dataio.com/DesktopModules/Bring2mind/SimpleDownloads/Download.aspx?tabid=1101&mid=6260&file=NandProgramming.pdf |titel=Programming NAND devices |hrsg=Data I/O Corporation |format=PDF |sprache=en |abruf=2022-06-29}}</ref> Dies ermöglicht die robuste Speicherung wichtiger, sich permanent ändernder Initialdaten, sowie der „Bad-Block-Tabelle“.<ref>{{Literatur |Hrsg=STMicroelectronics |Titel=Bad block management in Single Level Cell NAND Flash memories |Band=Application Note AN1819 |Datum=2007 |Sprache=en |Kommentar=Firmenschrift |Online=http://www.kompak.ru/knowledge/file/flash/usb/10119.pdf |Format=PDF |KBytes=}}</ref>

Bei NAND-Flashspeichern besitzt jede Page fix zugeordnet eine [[Spare Page]]. Diese war bei kleineren Bausteinen 16 Bytes lang, bei größeren Bausteinen 64 Bytes. Darin werden unter anderem vom Hersteller Bad-Block-Markierungen abgelegt oder bei fehlerfreien Blöcken Korrekturdaten für eine [[Vorwärtsfehlerkorrektur]] (FEC), um mögliche Lesefehler korrigieren zu können.<ref>{{Literatur |Autor=S. Narkish Hashma, S. Saranya Devi |Titel=An Efficient Decoding Architecture with Improved Error Correcting Technique for NAND Flash Memory |Sammelwerk=International Journal of Scientific Engineering and Technology Research |Band=4 |Nummer=1 |Datum=2015-01 |Seiten=130-134 |Sprache=en |Online=http://ijsetr.com/uploads/132645IJSETR3964-025.pdf}}</ref>

Die Spare Pages sind mit den Nutzdaten-Pages fest gekoppelt: Wird eine Page, in diesem Fall ein ganzer Block, gelöscht, werden dabei ebenfalls die zugehörigen Spare Pages gelöscht. In der Praxis bedeutet dies, dass als defekt markierte Blöcke keinesfalls gelöscht (formatiert) werden dürfen, da dadurch die Fehlerinformation über Bad Blocks verloren geht.<ref name="Bad_Blocks">{{Internetquelle |url=https://www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/technical-note/nand-flash/tn2959_bbm_in_nand_flash.pdf |titel=TN-29-59: Bad Block Management in NAND Flash Memory Introduction |hrsg=Micron |format=PDF |sprache=en |abruf=2022-06-29}}</ref>

Bei NAND-Flashs können auch während des Betriebs [[Bitfehler]] auftreten, die durch geeignete [[Fehlerkorrekturverfahren]] erkannt und behandelt werden müssen<ref>{{Internetquelle |url=http://www.spansion.com/Support/Application%20Notes/Types_of_ECC_Used_on_Flash_AN.pdf |titel=What Types of ECC Should Be Used on Flash Memory? |hrsg=Spansion |datum=2011 |format=PDF |sprache=en |offline=1 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20160304044226/http://www.spansion.com/Support/Application%20Notes/Types_of_ECC_Used_on_Flash_AN.pdf |archiv-datum=2016-03-04 |abruf=2022-08-29}}</ref>. Blöcke mit derartigen Laufzeitfehlern müssen gegebenenfalls vom NAND-Flashcontroller oder dem Software-Treibersystem zu der Liste der Bad Blocks hinzugefügt werden. Der Teil, der zur Verwaltung der Bad Blocks verantwortlich ist, wird als ''Bad Block Management System'' bezeichnet<ref name="Bad_Blocks" />.

== Arten von NAND-Speicher ==
{{Belege fehlen}}
In einer NAND-Flashzelle kann im Rahmen des [[Floating Gate]] die Datenspeicherung mit einer unterschiedlichen Anzahl von Spannungsniveaus erfolgen. Mit zwei verschiedenen Spannungsniveaus pro Zelle kann ein Bit pro Zelle gespeichert werden, diese NAND-Zellen werden auch als [[SLC-Speicherzelle]] bezeichnet. Werden vier verschiedene Spannungsniveaus verwendet, können damit zwei Bit pro Zelle gespeichert werden, wie es bei den [[MLC-Speicherzelle]]n der Fall ist. Mit acht Spannungsniveaus lassen sich drei Bit pro NAND-Zelle speichern, [[TLC-Speicherzelle]]n genannt; Speicherzellen mit 16 Niveaus, passend für vier Bit, heißen [[QLC-Speicherzelle]]n.

Der Vorteil der SLC-Speicherzellen ist eine höhere Anzahl von Schreib-/Lesezyklen und höhere Robustheit, da bei diesen beim Auslesevorgang nur unter zwei Spannungswerte unterschieden werden muss.

Der Vorteil der MLC- und erst recht der TLC- und QLC-Speicherzellen ist eine effizientere Ausnutzung der Chipfläche und höhere Speicherdichte. Nachteile dieser Speicherzellentypen sind unter anderem die längeren Zugriffszeiten sowie die reduzierte Anzahl von möglichen Schreib-/Lesezyklen bis zum Ausfall. Diese Reduktion folgt aus dem Umstand, dass durch den Einsatz von vier oder mehr Spannungsebenen die Unterscheidung zwischen den einzelnen Spannungen schwieriger und mit größeren Fehlerwahrscheinlichkeiten behaftet ist.

Wegen zunehmender Probleme mit der [[Strukturgröße|Strukturverkleinerung]] kommen seit 2013 zunehmend 3D-V-NAND-Zellen zum Einsatz. Im Gegensatz zur konventionellen [[Planartechnik]] stehen nun die Transistoren vertikal zur Chipfläche und sind zudem in mehreren Ebenen angeordnet (siehe auch [[Charge-Trapping-Speicher]]). Als Konkurrenz dazu haben Intel und Micron zusätzlich die Speichertechnologie [[3D XPoint]] entwickelt.

== Schnittstelle ==
Der Zugriff auf NAND-Speicher findet üblicherweise über einen [[Multiplexverfahren|gemultiplexten]] [[Adressbus|Adress]]-/[[Datenbus]] mit einer Breite von 8 [[Bit]] statt. Das verwendete Protokoll ist kommandobasiert. Aufgrund der verwendeten Bus-Schnittstelle ist ein verhältnismäßig großer Softwareaufwand zur Ansteuerung erforderlich bzw. in Hardware als [[IP-Core]] sind entsprechende NAND-Flash-Controller für die Zugriffssteuerung notwendig.<ref>{{Literatur |Autor=Micron |Titel=NAND Flash Controller via Xilinx Spartan-3 FPGA, Application Note TN-29-06 |Datum=2005 |Sprache=en |Kommentar=Firmenschrift |Online=https://www.micron.com/~/media/documents/products/technical-note/nand-flash/tn2906_nand_flash_controller.pdf |Format=PDF |KBytes=}}</ref>

Das [[Booten]] eines Systems mit Code aus einem NAND-Speicher ist nur mit zusätzlicher Hardware in Form eines NAND-Flash-Controllers möglich. Ein herkömmlicher [[Prozessor]] mit Adress-/Datenbus kann diese Speicher nicht direkt adressieren. Bei [[NOR-Flash]]es ist dies hingegen möglich, [[Firmware]] wird daher üblicherweise in NOR-Speichern abgelegt.

== Einsatzbereiche ==
NAND-Flashes sind überwiegend für große Speichermengen geeignet; neben den eingangs erwähnten [[Solid-State-Drive]]s (SSD) und SD-Karten finden sie Verwendung in [[USB-Stick]]s, anderen [[Flash-Speicher|Flash]]-[[Speicherkarte]]n (z. B. [[CompactFlash|CF]]-Karten, [[eMMC]]s), manchen [[Eingebettetes System|eingebetteten Systemen]] sowie in praktisch allen [[MP3-Player]]n und [[Smartphone]]s.

== Vorteile ==
* Geringer Preis pro Megabyte
* Hohe Schreib- und Lesegeschwindigkeiten bei großen Datenmengen
* Niedrigere Leistungsaufnahme beim Schreiben
* NAND-Flashes sind mit hohen Speicherkapazitäten erhältlich
* Die geringe Anzahl von erforderlichen Signalleitungen ermöglicht eine (hardwareseitig) kostengünstige Ankoppelung an Controllersysteme
* Die kommandobasierte Bus-Schnittstelle ermöglicht, Chips mit größerer Speicherkapazität einzusetzen, ohne das [[Schaltungsdesign]] zu ändern

== Nachteile ==
* Verglichen mit [[NOR-Flash|NOR-Speichern]] ist ein gewisser Softwareaufwand erforderlich, um NAND-Speicher korrekt anzusteuern
* Aufgrund der verwendeten Zugriffsart können NAND-Speicher nicht direkt als Programmspeicher für [[Mikrocontroller]] eingesetzt werden (diese benötigen einen linear adressierbaren Speicher mit wahlfreiem Zugriff)
* Zur Anbindung an herkömmliche Controllersysteme ist eine [[Glue Logic]] erforderlich.
* geringe Anzahl von Schreib-Lösch-Zyklen pro Zelle, danach ist die Speicherzelle nicht mehr nutzbar.
** 100.000 bis 1.000.000 Zyklen bei [[SLC-Speicherzelle|SLC]]
** 3.000 bis 10.000 Zyklen bei [[MLC-Speicherzelle|MLC]]
** ca. 1000 Zyklen [[TLC-Speicherzelle|TLC]]

== Hersteller ==
Die größten Hersteller von NAND-Flash-Speichern sind (Stand: 2025):<ref>{{Internetquelle |autor=Matt LeBoff |url=https://www.getusb.info/top-5-nand-flash-memory-manufacturers-in-the-world-as-of-2025/ |titel=Top 5 NAND Flash Memory Manufacturers in the World as of 2025 |werk=USB News & Press Releases |hrsg=getusb.info |datum=2025-04-16 |sprache=en |abruf=2026-01-20}}</ref>
{| class="wikitable sortable" style="text-align:center"
|+ NAND-Flash-Markt
|-
! Hersteller !! Erläuterung !! Marktanteil !! Hauptsitz
|-
![[Samsung Electronics]]
|
|31 %
| Süd-Korea
|-
![[SK Hynix]]
| 2021 Übernahme von [[Intel]]s Flash-Sparte<ref>{{Internetquelle |autor= |url=http://uk.reuters.com/article/intel-divestiture-sk-hynix/south-koreas-sk-hynix-to-buy-intels-nand-business-for-9-billion-idUSKBN27507T |titel=South Korea's SK Hynix to buy Intel's NAND business for $9 billion |hrsg=uk.reuters.com |datum=2020-10-20 |sprache=en |offline=1 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20201020024901/https://uk.reuters.com/article/intel-divestiture-sk-hynix/south-koreas-sk-hynix-to-buy-intels-nand-business-for-9-billion-idUSKBN27507T |archiv-datum=2020-10-20 |abruf=2026-01-20}}</ref>
|18 %
| Süd-Korea
|-
![[Kioxia]]
| 2018/2019 aus [[Toshiba]] ausgegliedert<ref>{{Internetquelle |autor=Campbell Kwan |url=https://www.zdnet.com/article/former-toshiba-memory-business-to-rebrand-as-kioxia/ |titel=Former Toshiba memory business to rebrand as Kioxia |hrsg=[[zdnet]] |datum=2019-07-18 |sprache=en |abruf=2026-01-20}}</ref>
|17 %
| Japan
|-
![[Sandisk]]
|2025 ausgegliederte Flash-Sparte von '''[[Western Digital]]'''<ref>{{Internetquelle |url=https://www.westerndigital.com/company/newsroom/press-releases/2025/2025-02-24-western-digital-completes-planned-company-separation |titel=Western Digital Completes Planned Company Separation |sprache=en |abruf=2026-01-20}}</ref>
|15 %
| USA
|-
![[Micron Technology]]
|
|11 %
| USA
|-
!Sonstige
|
|8 %
|
|}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Halbleiterspeichertechnik]]

[[en:Flash memory#NAND memories]]

NAND-Flash - Versionsgeschichte

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