3D-NAND-Flash

Grundlagen von 2D und 3D NAND

Eine Flash-Memory-Zelle ist im Grunde ein Logikgatter, und alle Logikgatter verwenden eine binäre Input-/Output-Beziehung (I/O). Die Tabelle, die die Beziehung zwischen den Inputs und Outputs der Logikgatter auflistet, wird als Wahrheitstabelle (Truth Table) bezeichnet.

Als Toshiba in den 1980er Jahren ursprünglich Flash-Memory entwickelte, basierten die Speicherbausteine auf zwei deutlich unterschiedlichen Arten von Logikgattern: NOR, das für Nicht-Oder (Not-OR) steht, und NAND, das für Nicht-Und (Not-AND) steht. Beide Designs speichern Daten in Speicherzellen, die mit Floating-Gate-Transistoren (FGTs) aufgebaut sind.

Heute hat sich NAND als der beliebteste und am weitesten verbreitete Typ von Flash-Memory-Zellen herauskristallisiert. Die folgenden beiden Abbildungen zeigen grundlegende NAND- und NOR-Gatter für Studenten der grundlegenden digitalen Elektronik.

Flash-Memory hat aufgrund seiner nichtflüchtigen Natur an Popularität gewonnen. Das heißt, jede Speicherzelle kann ihren binären Zustand, eine logische Null oder eine Eins - die Daten - ohne die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Stromversorgung beibehalten. Dies ist ein dramatischer Unterschied zum dynamischen RAM (DRAM), bei dem jede Speicherzelle kontinuierlich aktualisiert werden muss, um ihren binären Zustand zu erhalten. Nichtflüchtiger, wiederbeschreibbarer Speicher stellt sicheres und portables Memory für eine Vielzahl von Geräten bereit, wie zum Beispiel Bild- und Videoaufzeichnungsgeräte, USB-Laufwerke zur Übertragung von Dateien und Daten und Solid-State Drives (SSD).

Wie beim dynamischen RAM werden auch die 2D-Flash-Geräte mit Speicherzellen entworfen und hergestellt, die in einer horizontalen, zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Dieser bewährte Ansatz stellt aufgrund des begrenzten Platzes auf dem Siliziumchip - dem Chip selbst - eine Herausforderung für Kapazität und Leistung dar. Um die Speicherkapazität zu erhöhen, müssen die Speicherzellen entweder kleiner, der Chip größer oder beides sein. Da die Herstellung von Memory-Zellen innerhalb der Grenzen der heutigen Herstellungstechnologie nicht viel kleiner werden kann, muss das resultierende 2D-Flash-Gerät größer werden und längere Verbindungen zwischen den Speicherzellen aufweisen, die die Latenzzeit erhöhen und die Leistung verringern. Daher sind 2D-Flash-Bausteine derzeit auf Kapazitäten von 128 GBytebegrenzt.

3D-Flash-Bausteine erhöhen die Kapazität und Leistung, indem sie Speicherzellen in vertikalen Schichten anstatt in einer einzigen horizontalen Schicht stapeln. Dadurch werden die verfügbaren Speicherzellen für einen bestimmten Bereich effektiv vervielfacht, wodurch weitaus größere Speicherkapazitäten bei geringerer Grundfläche ermöglicht werden. Darüber hinaus ermöglicht das Stapeln kürzere Gesamtverbindungen für jede Speicherzelle, was eine schnellere Speicherleistung unterstützt. 3D-Flash ist ein relativ neuer Herstellungsansatz, aber es sind Kapazitäten von 256 GB und 512 GB verfügbar, die das Potenzial für weitaus größere Speichergeräte haben.

Funktionsweise von Flash und 3D NAND

Flash-Speicher ist ein fortschrittlicher Typ von Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) - die Art von nichtflüchtigem Memory, das traditionell Firmware wie das BIOS in einem PC enthält. Der Flash-Speicher speichert Daten in Transistorfeldern, die für die Speicherung von ein, zwei, drei oder vier Datenbits ausgelegt sein können. Die auf Metalloxid-Halbleitern basierenden Floating-Gate-Transistoren (FGTs), die zur Herstellung der Speicherzellen verwendet werden, nutzen zwei Gates anstelle von einem. Ein Gate ist ein Floating Gate und ein weiteres Gate ist ein Control Gate (Steuerungs-Gate). Tatsächlich wirkt die Gate-Serie als Schalter, wobei das Control Gate Elektronen einfängt und diese zum Floating Gate bewegt. Diese Art von Architektur ermöglicht es dem Transistor, den Zustand jeder Speicherzelle zu erhalten, wenn die elektrische Energie entfernt wird.

Wie bei älteren und traditionelleren EEPROMs muss eine Flash-Speicherzelle gelöscht werden, bevor sie neu beschrieben werden kann. Ein EEPROM löscht Daten byteweise. In einem Flash-Speichergerät löschen Tunneling-Elektronen jede Ladung auf dem Floating Gate blitzschnell (engl.: in a flash) - daher der Name Flash-Speicher - und ermöglichen so das Neuschreiben des Inhalts.

NOR-Flash ist so konzipiert, dass ein Hochgeschwindigkeitszugriff auf einzelne Speicherplätze möglich ist, wodurch sich NOR gut für Aufgaben eignet, die von optimaler Geschwindigkeit und Zugriffsstärke abhängen, wie zum Beispiel moderne PC-Firmware, und ältere EEPROM-Bausteine praktisch überflüssig macht. Im Vergleich dazu ist NAND-Flash für die Arbeit mit Datenblöcken, den sogenannten Pages, konzipiert. Dadurch eignet sich NAND-Flash gut für sequentielle Hochgeschwindigkeits-Lese- und Schreibvorgänge für großvolumige Datenaktivitäten wie Video und Bilder. NAND bietet einen sehr schnellen Lesevorgang und ist kostengünstiger als NOR. Folglich ist NAND-Flash die vorherrschende Flash-Speichertechnologie für viele Verbraucher- und Industriegeräte.

Im Gegensatz zu DRAM bietet ein All-Flash-Memory eine endliche Anzahl von Lösch-/Programmierzyklen (Program/Erase Cycles, kurz P/E Cycles) - eine Eigenschaft, die als Ausdauer (Endurance) bezeichnet wird. Das Verhalten der Tunnelling-Elektronen, die zum Löschen der Speicherzelle verwendet werden, führt schließlich dazu, dass die Speicherzelle verschleißen und ausfallen kann. Wenn sich die Zelle abnutzt und die Zellen ausfallen, wird das Gesamtdesign des Speicherchips darauf ausgerichtet sein, schlechte Zellen und Blöcke zu verlagern, wodurch mehr Zeit zum Schreiben - Programmieren - benötigt wird, was die Leistung des Flash-Speichers verlangsamt. Glücklicherweise beträgt die Lebensdauer eines modernen Flash-Speicherbauteils viele tausend E/P-Zyklen. Und diese Lebensdauer wird durch Wear-Leveling-Techniken verlängert, die sicherstellen, dass der gesamte Speicher vor dem Löschen von Zellen beschrieben wird, wodurch im Grunde verhindert wird, dass dieselben Untergruppen von Speicherzellen häufig gelöscht und neu beschrieben werden, während andere Bereiche des Chips relativ unbenutzt bleiben.

Um den Übergang von 2D-Flash zu 3D-Flash zu vollziehen, fügt man im Herstellungsprozess mehrere Schichten von Speicherzellen übereinander sowie Verbindungen zwischen den Schichten hinzu. Ein typischer 3D-NAND-Flash-Chip kann leicht aus 32 bis 48 einzelnen Schichten bestehen, wobei 64-, 96- und sogar 128-Schicht-Bausteine möglich sind und auf den Markt kommen werden. Das Hinzufügen von Schichten macht die Herstellung von 3D-Flash schwieriger und zeitaufwändiger als die von 2D-Flash. Die Schichten ermöglichen jedoch weitaus höhere Bitdichten innerhalb des Speicherbausteins mit viel kürzeren Verbindungswegen, was eine bessere Leistung bringt.

Heutzutage sind 3D-NAND-Flash-Geräte in Computern, wie zum Beispiel Tablets, sowie Speichergeräten wie USB-Laufwerke, Flash-Arrays und SSDs der Enterprise-Klasse alltäglich.

Vor- und Nachteile von 3D NAND gegenüber 2D NAND

Sowohl 3D- als auch 2D-NAND-Flash-Speichergeräte sind heute leicht erhältlich und im Einsatz. Bei der Auswahl der besten Technologie für eine Speicheraufgabe müssen jedoch Kompromisse eingegangen werden.

Kapazität. 3D-NAND-Flash bietet im Vergleich zu 2D-NAND-Flash eine größere Speicherkapazität - oder Datendichte. Das Stapeln mehrerer Schichten von Speicherzellen zur Erstellung einer dreidimensionalen Speichermatrix kann eine wesentlich größere Speicherkapazität auf der gleichen Chipfläche - dem Footprint - ermöglichen. In ähnlicher Weise können dichtere Chips in dichtere Geräte mit höherer Kapazität wie SSDs eingebaut werden. SSDs sind beispielsweise mit Kapazitäten von einem TByte und zwei TByte erhältlich.

Kosten. Flash-Memory folgt dem gleichen Kosten-pro-Byte-Verhältnis wie andere Speichertechnologien, und 3D-NAND-Flash kann die Kosten pro Byte im Vergleich zu 2D-NAND-Flash erheblich senken. Im Jahr 2017 könnte ein in einer Fertigungsanlage hergestellter 2D-NAND-Wafer 1,6 TByte gespeichert haben, während ein 3D-NAND-Wafer mehr als 17 TByte gespeichert haben könnte. Selbst wenn der 3D-NAND-Wafer fast doppelt so teuer ist wie ein 2D-NAND-Wafer, sind die Kosten pro Byte bei der 3D-NAND-Technologie aufgrund der dramatischen Kapazitätsverbesserung des 3D-Wafers weitaus geringer. Dies macht 3D-NAND für viele Arten von Speicheranwendungen kostengünstiger.

Performance und Stromverbrauch. Wenn Speicherzellen in einer 2D-Matrix angeordnet sind, gibt es eine endliche Entfernung, um Bits zu und von den Zellen zu bewegen. Dieser Abstand entspricht der Zeit - oder der Latenzzeit. Um die Speicherkapazität der 2D-Matrix zu erhöhen, müssen diese Abstände - und damit die Latenz - ebenfalls zunehmen, wodurch die Leistung größerer 2D-NAND-Flash-Geräte effektiv verringert wird. Durch Stapeln und Verbinden von Schichten von NAND-Speicherzellen kann der physische Abstand - und damit die Latenz - verringert werden, um eine höhere Leistung bei höheren Speicherkapazitäten zu erhalten. Darüber hinaus kann der 3D-NAND-Flash-Speicher in einem einzigen Durchgang beschrieben werden und verbraucht bis zu 50 Prozent weniger Strom als 2D-NAND-Speicher.

Herausforderungen bei der Herstellung. Die Herstellung von 3D-NAND-Flash-Bausteinen kann extrem schwierig sein, da Tausende von einzelnen Prozessen erforderlich sind, um einen Roh-Wafer bis hin zu fertigen Chips zu verarbeiten. Fehler oder Verunreinigungen an irgendeinem Teil des Herstellungsprozesses können schlechte Zellen einführen und ganze Chips unbrauchbar machen. Eine gute Fertigung erfordert außergewöhnliche Vorsichtsmaßnahmen gegen Kontamination, eine extrem hohe Fertigungskontrolle und Materialreinheit.

Komplexe Steuerung des Flash. Obwohl die Flash-Speichertechnologie keine Updates des Schaltkreises wie bei DRAM benötigt, erfordert Flash doch eine ausgeklügelte Datenverwaltung und Fehlerkorrekturkontrolle, um die Art und Weise zu überwachen, wie die Daten auf einem Flash-Chip gespeichert werden. Beispielsweise muss ein 3D-NAND-Flash möglicherweise eine neue Zuordnung (Mapping) eines ganzen Blocks (einer Page) des Speichers vornehmen, wenn auch nur ein einziges Bit ausfällt, so dass eine Überprüfung auf Bitfehler erforderlich ist. Gleichzeitig ist eine zusätzliche Kontrolle für das Wear Leveling erforderlich: die Verteilung der auf dem Chip gespeicherten Daten, um die Lösch-/Programmierzyklen zu minimieren und die Lebensdauer des Flash-Bausteins zu verlängern. Diese Kontrollen und diese Steuerung sind bei 3D NAND komplexer als bei 2D NAND.

NAND-Typen

Die NAND-Technologie kann in mehrere spezifische Designs unterteilt werden, einschließlich Single-Level Cell (SLC), Multi-Level Cell (MLC), Triple-Level Cell (TLC) und Quad-Level Cell (QLC). Das spezifische Design bezieht sich in der Regel auf die Anzahl der in jeder NAND-Speicherzelle gehaltenen Bits sowie auf Eigenschaften wie die Lebensdauer. 3D-NAND-Flash-Bausteine können typischerweise MLC-, TLC- oder QLC-Designs verwenden, nicht aber SLC.

Single-Level Cell. SLC speichert ein Bit pro Speicherzelle. Da an jedem Lösch-/Programmierzyklus nur eine Zelle beteiligt ist, werden die Zellen im Durchschnitt am wenigsten häufig gelöscht und neu geschrieben, was zu einer der besten Lebensdauern für NAND-Speicher führt. Ein typisches SLC-Gerät kann etwa 60.000 Mal gelöscht und neu beschrieben werden. Außerdem wirkt sich der Ausfall einer Speicherzelle nur auf das entsprechende Bit aus, so dass Ausfälle leichter im Flash-Chip neu zugeordnet/kontrolliert werden können. Leider ist SLC auch die teuerste Art von NAND-Flash und ist oft für die leistungsstärksten unternehmenskritischen Aufgaben, wie zum Beispiel Datenbankanwendungen, reserviert.

Multi-Level Cell. MLC speichert zwei Bits pro Speicherzelle. Dies verbessert die Kapazität des Flash-Speichergeräts und senkt die Kosten, da die Anzahl der Bits pro Zelle doppelt so hoch ist wie bei SLC. Die Lebensdauer wird jedoch beeinträchtigt, da zwei Bits gelöscht und neu geschrieben werden müssen, wenn die Zelle neu beschrieben wird, so dass die Zelle schneller verschleißt. Ein MLC-Gerät kann zwischen 1.500 und 3.000 Mal gelöscht und neu beschrieben werden. Dennoch sind Leistung und Lebensdauer für die meisten Allzweckanwendungen mit bescheidenem I/O-Bedarf attraktiv, und MLC wird häufig in alltäglichen Computergeräten wie Laptops verwendet. 3D NAND kann MLC-Flash verwenden. Enterprise MLC (eMLC) ist eine Variante von MLC, die eine verbesserte Wear-Leveling-Kontrolle bietet, die die Gesamtausdauer verbessert und das Gerät besser für Unternehmensumgebungen geeignet macht.

Triple-Level Cell. TLC speichert drei Bits pro Speicherzelle. Damit setzte sich der Trend in Richtung zusätzlicher Flash-Kapazität und geringerer Kosten fort, aber das zusätzliche Bit senkt die Leistung leicht ab, und der Lösch-/Programmierzyklus wirkt sich jetzt auf drei Bits statt auf ein oder zwei aus, was die Lebensdauer des Geräts noch weiter verringert. TLC wird häufiger für leseintensive Aufgaben eingesetzt, bei denen die Lösch-/Programmierzyklen weniger häufig sind, was dazu beiträgt, die Ausdauer zu maximieren und die Lebensdauer des TLC-Bausteins zu erhalten. Bei 3D NAND kann TLC-Flash verwendet werden, und ein typisches 3D-TLC-Gerät kann 500 bis 3.000 Mal neu beschrieben werden.

Quad-Level Cell. QLC speichert vier Bits pro Speicherzelle. Diese Technologie stellt die höchste Kapazität und die niedrigsten Kosten dar, aber sie bietet auch die niedrigste Speicherzellenlebensdauer und Leistung aller Flash-Technologien. Fortschrittliche Error-Correction- und Wear-Leveling-Controller tragen dazu bei, die Lebensdauer der QLC-Bauteile zu verlängern, und die Technologie kann sich als attraktiv für leseintensive Aufgaben erweisen, bei denen das Neuschreiben selten ist - man denke nur an die Archivierung. Eine typische QLC-Zelle kann etwa 100 Mal neu beschrieben werden, wobei Wear Leveling dies auf etwa 1.000 Mal verbessern kann. 3D-NAND kann QLC-Flash verwenden.

3D-NAND-Anwendungsfälle

Flash-Speicher ist in einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen attraktiv, in denen Mobilität, Nichtflüchtigkeit und physische Belastbarkeit - wie Stoß, Druck und Temperatur - nützliche Eigenschaften sind. Die folgenden Beispiele bieten einen Querschnitt durch gängige Anwendungsfälle.

USB-Sticks. USB-Laufwerke wurden erstmals um 2002 eingeführt und bieten kleine, tragbare, nichtflüchtige Speicheroptionen für alle Arten von Computerbenutzern. Tatsächlich ist das USB-Laufwerk ein in sich geschlossenes Speichersubsystem, das sowohl die Hochleistungsspeicherkapazität als auch die gesamte Kontrollschaltung umfasst. Die heutigen USB-Laufwerke erreichen 128 GByte. Einige High-End-USB-Laufwerke verfügen sogar über Funktionen wie Verschlüsselung und Kennwortsicherheit.

Flash-Memory-Karten. Flash-Speicherkarten, die erstmals Mitte der 1990er Jahre auf den Markt kamen, haben sich weiterentwickelt und lassen sich einfach in viele Arten von elektronischen Geräten einstecken, wie Kameras, Tabletts und Videorecordern. Heutige Flash-Speicherkarten können eine Speicherkapazität von bis zu 256 GByte bieten, wobei die Datenübertragungsraten zwischen 80 MB/s und 170 MB/s liegen.

Solid-State Drives. SSDs kommen in Geräten von Laptops bis hin zu Speicher-Arrays der Unternehmensklasse zum Einsatz. SSDs können herkömmliche magnetische Festplatten ersetzen, indem sie extrem schnelle IOPS und einen geringeren Stromverbrauch in Computersysteme bringen, während das Fehlen jeglicher beweglicher Teile die Zuverlässigkeit des Laufwerks verbessert und die Geräuschentwicklung verringert. Heutige SSD-Produkte sind im Bereich von 1-2 TB leicht erhältlich und konkurrieren nun mit den hohen Kapazitäten und wettbewerbsfähigen Preispunkten, die typischerweise mit HDDs verbunden sind. SSDs werden häufig in Flash-Speicher-Arrays und anderen Implementierungen, wie zum Beispiel hyper-konvergenten Infrastrukturprodukten (HCI), verwendet.

3D-NAND-Anbieter

Samsung war der erste Hersteller, der im Jahr 2013 3D-NAND-Flash unter dem Namen Vertical NAND (V-NAND) in Serie produzierte. Weitere 3D-NAND-Hersteller sind Intel und Micron Technology im Rahmen einer Partnerschaft, SK Hynix und Kioxia (Toshiba unter neuem Markennamen), das mit SanDisk von Western Digital zusammenarbeitet. Samsung hält mit 35,5 Prozent im vierten Quartal 2019 immer noch die Mehrheit des Flash-Marktanteils.