Flash NAND 3D, couches, performances, densité et évolution

Flash NAND 3D

Les mémoires connues sous le nom de 3D NAND sont basées sur la connexion de plusieurs puces de mémoire Flash NAND empilées verticalement et intercommunicantes à l'aide d'interconnexions via des voies de silicium. Ce qui permet d'augmenter la capacité de stockage. Comment les couches 3D NAND affectent-elles ses performances et son évolution ?

La première puce 3D NAND a été lancée en 2013, il s'agissait de la première V-NAND de Samsung avec une capacité de 16 Go et composée de 24 couches. Au fil du temps, le nombre de couches a évolué et on trouve aujourd'hui des configurations NAND 176D à 3 couches. Y a-t-il une limite au nombre de couches en 3D NAND ?

Qu'est-ce que la mémoire flash NAND?

NAND flash

La mémoire Flash NAND est un type de RAM non volatile, cela signifie qu'elle conserve ses informations après avoir perdu l'alimentation. Comme la RAM, elle est organisée par des puces de mémoire, mais contrairement à la RAM, elle a une bande passante plus faible et une latence plus élevée.

C'est donc une mémoire de stockage qui s'utilise comme les disques durs, qui, comme la RAM, croît d'année en année grâce aux effets de la loi de Moore. Quelque chose qui est accéléré par le déploiement de la mémoire 3D NAND. Qui utilise des dizaines de puces mémoire 2D empilées, ce qui rend la capacité de stockage plusieurs fois supérieure à celle de la RAM.

Pourquoi la 3D NAND est-elle nécessaire ?

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La principale différence entre la mémoire NAND 2D classique et la mémoire NAND 3D réside dans la façon dont les cellules communiquent. En 2D NAND, les cellules de mémoire où les bits sont stockés se trouvent les unes avec les autres sur une seule puce. Ainsi la capacité de chaque puce est déterminée d'une part par le type de cellule utilisée et d'autre part par le nombre de cellules que l'on peut mettre sur une puce.

Pour ces raisons, la NAND 2D est limitée par deux facteurs. Le premier d'entre eux est le plus connu et concerne les capacités du nœud de fabrication utilisé pour fabriquer la mémoire. C'est-à-dire le nombre de transistors par mm2. En revanche, la deuxième raison est plus méconnue, puisqu'elle tient à la réduction de la distance entre les transistors et les champs électriques qui se créent.

Organisation NAND 3D

Autrement dit, plus les cellules sont proches, plus il y a de danger que la charge électrique d'une cellule finisse par corrompre les données d'une cellule voisine. D'où la nécessité de mettre en œuvre des systèmes NAND 3D basés sur l'intercommunication verticale de plusieurs puces NAND 2D. L'idée est de diminuer la densité en cellules dans chacune des puces de la batterie pour éviter que la charge électrique d'une des cellules ne détruise le contenu des autres.

C'est précisément ce fait qui rend les puces NAND 2D utilisées pour construire la NAND 3D à partir d'un nœud de fabrication moins avancé et donc avec une densité plus faible en termes de nombre de transistors que celles qui sont purement en deux dimensions.

Combien de couches la mémoire 3D NAND prend-elle en charge ?

NAND 3D

La mémoire NAND 3D, cependant, diffère de la RAM 3D comme HBM par la manière dont la pile mémoire est organisée, car en commençant par la puce mémoire à la base de la pile, le reste des puces placées dessus sont de plus petite taille, jusqu'à ce que le point est atteint où les puces de mémoire 2D NAND qui composent la pile sont trop petites pour évoluer davantage. Il faut tenir compte comme nous l'avons expliqué dans la section précédente que l'utilisation de nouveaux nœuds et l'augmentation de la densité des alvéoles obligent certains niveaux de capacité de stockage à augmenter le nombre de couches afin d'éviter la contamination. puissance électrique entre les cellules.

En moyenne, les fabricants ajoutent entre 30 et 50 % de couches supplémentaires à chaque génération de NAND 3D. Actuellement, les mémoires NAND 96D à 3 couches sont les meilleures ventes avec plus de la moitié des parts de marché, suivies des mémoires à 128 couches avec 15 % des parts de marché. Évolution générationnelle ? En moyenne tous les 18 mois, ce ne sera donc qu'à la fin 2022 que l'on verra la prochaine génération de mémoire 3D NAND à 256 couches.

Capacité accrue grâce aux cellules QLC et PLC

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Les cellules CPL sont les moins fiables de toutes, permettant de stocker jusqu'à 4 bits par cellule mais limitant le cycle de vie des produits. Cependant, le besoin de capacité de stockage pour de nombreuses personnes a augmenté la demande de cellules QLC, qui en 2021 représentaient 15 % de la demande, mais elle devrait atteindre 50 % d'ici 2025.

Le processus devrait être répété avec les cellules à 5 bits ou le PLC qu'Intel a soumis en tant que proposition il y a quelques mois. En fin de compte, c'est le même processus qui s'est déjà produit avec TLC et plus tard avec QLC. Bien que les prédictions soient faites à partir de l'utilisation des cellules QLC et des avancées technologiques pour 2025.

Dans quelle situation serons-nous ? D'ici 2025, nous devrions atteindre le coût de 2 cents par gigaoctet de stockage. Ce qui se traduit par une réduction des coûts de 20 % sur un an en moyenne et donc de 30 % entre les générations. D'ici 2025, nous devrions nous attendre à des configurations 3D NAND avec 384 couches.

Quand la 3D NAND remplacera-t-elle les disques durs ?

Fabricants de disques durs SSD

Les disques durs conventionnels sont supérieurs à la mémoire Flash NAND sur un point, leur capacité à stocker des données. Il est vrai que l'on peut dresser une liste de choses dans lesquelles les unités SSD sont actuellement supérieures, comme le fait qu'elles ne dépendent pas de pièces mécaniques, ont des temps de recherche plus rapides et surtout une bande passante plus importante.

La question est : en quelle année le coût de la 3D NAND sera-t-il aussi bon marché qu'un disque dur ? Eh bien, les prédictions pointent vers 2033, il y a donc encore plus d'une décennie pour que les disques durs soient surpassés dans ce qu'ils dépassent la mémoire 3D NAND.

La raison pour laquelle nous allons devoir attendre si longtemps est que le coût des nœuds de fabrication qui vont être déployés dans les années à venir va être de plus en plus cher, ce qui va être un facteur dans cet aspect. Cependant, cela ne signifie pas que nous continuerons à utiliser des disques durs pour les années à venir, d'autant plus que les SSD sont de plus en plus populaires et présentent des avantages au-delà de la capacité de stockage.