3D-NAND-Flash, Schichten, Leistung, Dichte und Evolution

3D NAND-Flash

Die als 3D-NAND bekannten Speicher basieren auf der Verbindung mehrerer vertikal gestapelter und miteinander kommunizierender NAND-Flash-Speicherchips unter Verwendung von Verbindungen durch Siliziumpfade. Dadurch kann die Speicherkapazität erhöht werden. Wie wirken sich 3D-NAND-Schichten auf die Leistung und Entwicklung aus?

Der erste 3D-NAND-Chip wurde 2013 auf den Markt gebracht, es war Samsungs erster V-NAND mit 16 GB Kapazität und aus 24 Schichten aufgebaut. Im Laufe der Zeit hat sich die Anzahl der Schichten weiterentwickelt und heute finden wir 176-schichtige 3D-NAND-Konfigurationen. Ist die Anzahl der Schichten in 3D NAND begrenzt?

Was ist NAND-Flash-Speicher?

Nand Flash

NAND-Flash-Speicher ist eine Art nichtflüchtiger RAM, dh er behält seine Informationen nach einem Stromausfall bei. Wie RAM ist es nach Speicherchips organisiert, hat aber im Gegensatz zu RAM eine geringere Bandbreite und eine höhere Latenz.

Es handelt sich also um einen Speicher, der wie Festplatten verwendet wird, der wie RAM dank der Auswirkungen des Mooreschen Gesetzes von Jahr zu Jahr wächst. Etwas, das durch die Bereitstellung von 3D-NAND-Speicher beschleunigt wird. Das verwendet Dutzende von gestapelten 2D-Speicherchips, wodurch die Speicherkapazität um ein Vielfaches höher ist als die von RAM.

Warum ist 3D-NAND notwendig?

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Der Hauptunterschied zwischen klassischem 2D-NAND-Speicher und 3D-NAND-Speicher besteht in der Art und Weise, wie die Zellen kommunizieren. Beim 2D-NAND befinden sich die Speicherzellen, in denen die Bits gespeichert sind, zusammen auf einem einzigen Chip. Die Kapazität jedes Chips wird also zum einen durch den verwendeten Zellentyp und zum anderen durch die Anzahl der Zellen bestimmt, die wir auf einem Chip unterbringen können.

Aus diesen Gründen ist 2D-NAND durch zwei Faktoren begrenzt. Die erste davon ist die bekannteste und hat mit den Fähigkeiten des Herstellungsknotens zu tun, der zur Herstellung von Speicher verwendet wird. Das heißt, die Anzahl der Transistoren pro mm2. Andererseits ist der zweite Grund unbekannter, da er mit der Verringerung des Abstands zwischen den Transistoren und den erzeugten elektrischen Feldern zu tun hat.

3D-NAND-Organisation

Mit anderen Worten, je näher die Zellen sind, desto größer ist die Gefahr, dass die elektrische Ladung einer Zelle die Daten einer Nachbarzelle verfälscht. Daher die Notwendigkeit, 3D-NAND-Systeme zu implementieren, die auf der vertikalen Kommunikation mehrerer 2D-NAND-Chips basieren. Die Idee ist, die Zelldichte in jedem der Chips in der Batterie zu verringern, um zu verhindern, dass die elektrische Ladung einer der Zellen den Inhalt der anderen zerstört.

Genau diese Tatsache macht die 2D-NAND-Chips, die zum Aufbau des 3D-NAND verwendet werden, aus einem weniger fortschrittlichen Fertigungsknoten und daher mit einer geringeren Dichte in Bezug auf die Anzahl der Transistoren als solche, die rein in zwei Dimensionen vorliegen.

Wie viele Schichten unterstützt 3D-NAND-Speicher?

3D NAND

3D-NAND-Speicher unterscheidet sich jedoch von 3D-RAM wie HBM durch die Art und Weise, wie der Speicherstapel organisiert ist, da beginnend mit dem Speicherchip an der Basis des Stapels die restlichen Chips, die oben platziert sind, kleiner sind, bis Der Punkt ist erreicht, an dem die 2D-NAND-Speicherchips, aus denen der Stack besteht, zu klein sind, um weiter skaliert zu werden. Dabei ist zu berücksichtigen, wie wir im vorigen Abschnitt erläutert haben, dass die Verwendung neuer Knoten und die Erhöhung der Dichte der Zellen bestimmte Speicherkapazitäten erzwingen, die Anzahl der Schichten zu erhöhen, um Kontaminationen zu vermeiden. Strom zwischen den Zellen.

Im Durchschnitt fügen die Hersteller mit jeder 30D-NAND-Generation zwischen 50 und 3 % mehr Schichten hinzu. Derzeit sind 96-Layer-3D-NAND-Speicher die Bestseller mit mehr als der Hälfte des Marktanteils, gefolgt von 128-Layer-Speichern mit 15% des Marktanteils. Generationenwechsel? Im Schnitt alle 18 Monate, also erst Ende 2022 wird die nächste Generation des 3D-NAND-Speichers mit 256 Schichten zu sehen sein.

Erhöhte Kapazität dank QLC- und PLC-Zellen

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SPS-Zellen sind die am wenigsten zuverlässig, da sie die Speicherung von bis zu 4 Bit pro Zelle ermöglichen, aber den Lebenszyklus der Produkte einschränken. Der Bedarf an Speicherkapazität für viele Menschen hat jedoch die Nachfrage nach QLC-Zellen erhöht, die 2021 15% des Bedarfs ausmachten, aber bis 50 voraussichtlich 2025% erreichen werden.

Es wird erwartet, dass sich der Vorgang mit den 5-Bit-Zellen oder der PLC wiederholt, die Intel vor einigen Monaten als Vorschlag vorgelegt hat. Letztendlich ist es der gleiche Prozess, der bereits bei TLC und später bei QLC aufgetreten ist. Obwohl die Vorhersagen aus dem Einsatz von QLC-Zellen und technologischen Fortschritten für 2025 stammen.

In welcher Situation werden wir sein? Bis 2025 werden wir voraussichtlich die Kosten von 2 Cent pro Gigabyte Speicher erreichen. Das bedeutet eine Kostenreduktion von durchschnittlich 20 % gegenüber dem Vorjahr und damit 30 % zwischen den Generationen. Bis 2025 sollten wir mit 3D-NAND-Konfigurationen mit 384 Schichten rechnen.

Wann wird 3D NAND Festplatten ersetzen?

Hersteller SSD-Festplatten

Herkömmliche Festplatten sind NAND-Flash-Speichern in einer Sache überlegen, nämlich in ihrer Fähigkeit, Daten zu speichern. Es stimmt, dass wir eine Liste von Dingen ziehen können, in denen SSD-Einheiten derzeit überlegen sind, wie zum Beispiel, dass sie nicht von mechanischen Teilen abhängig sind, schnellere Suchzeiten und vor allem eine größere Bandbreite haben.

Die Frage ist: In welchem ​​Jahr wird 3D-NAND so günstig wie eine Festplatte sein? Nun, die Vorhersagen deuten auf 2033 hin, also gibt es noch mehr als ein Jahrzehnt, bis Festplatten in Bezug auf den 3D-NAND-Speicher übertroffen werden können.

Der Grund, warum wir so lange warten müssen, ist, dass die Kosten für die Herstellungsknoten, die in den nächsten Jahren bereitgestellt werden, immer teurer werden, was in diesem Aspekt ein Faktor sein wird. Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir auch in den kommenden Jahren weiterhin Festplatten verwenden werden, zumal SSDs immer beliebter werden und Vorteile über die Speicherkapazität hinaus haben.