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So könnte die Zukunft des NAND-Flash-Speichers aussehen
Flash bedient hohe Kapazitäts- und Leistungsanforderungen. Neue Versionen machen ältere Generationen nicht obsolet. Hier finden Sie einen Ausblick, was die Zukunft bringen könnte.
NAND-Flash stillt den Hunger nach immer größeren Speicherkapazitäten in Unternehmen und privaten Haushalten – nicht nur durch weitere Lagen mit Speicherzellen, sondern auch kleinere Strukturen und die Speicherung von künftig fünf Bits in einer Zelle. Überflüssig werden ältere NAND-Generationen dadurch aber nicht.
35 Jahre ist es her, dass der erste NAND-Flash-Speicher vorgestellt wurde. Inzwischen hat sich die Technologie dank hoher Geschwindigkeiten und stetig wachsender Kapazitäten gegenüber anderen Flash-Technologien durchgesetzt, so dass 2022 voraussichtlich 780 Millionen Terabyte NAND-Flash ausgeliefert werden. Zum Vergleich: 2010 waren es noch 10 Millionen Terabyte, was auch den schnell steigenden Bedarf an hohen Speicherkapazitäten in Unternehmen und privaten Haushalten verdeutlicht.
Vor allem durch das Stapeln der Speicherzellen in immer mehr Lagen konnten Hersteller die Kapazitäten von NAND-Speichern in der letzten Dekade deutlich steigern. 100 bis 200 Lagen sind mittlerweile üblich, wobei sich die Implementierungen unterscheiden und nicht direkt vergleichen lassen. Allerdings ist das Stapeln technisch anspruchsvoll und erfordert hohe Investitionen ins Equipment, sodass es sich nicht beliebig fortsetzen lässt – zumindest nicht wirtschaftlich, da der Markt nach hohen Kapazitäten zu erschwinglichen Kosten verlangt.
Deshalb wurden parallel zur Erhöhung der Stapel auch die Speicherstrukturen immer weiter verkleinert, um mehr Speicherzellen auf gleicher Fläche unterzubringen. Enormes Potenzial steckt zukünftig beispielsweise in halbkreisförmigen Floating-Gate-Zellen, wie KIOXIA sie derzeit mit „Twin BiCS FLASH“ entwickelt und die deutlich weniger Platz benötigen als kreisförmige Charge-Trap-Zellen. Auch neue CMOS-Layouts helfen, die Speicherdichte zu erhöhen, indem sie die Kontrolllogik nicht mehr neben dem eigentlichen Speicher-Array (CMOS Next Array, CNA), sondern darunter platzieren.
Bei CMOS Under Array (CUA) werden die Schaltkreise für die Kontrolllogik auf demselben Wafer wie das Speicher-Array gefertigt, was kostengünstig ist. Allerdings können die thermischen Prozesse bei der Array-Produktion auch die CMOS-Schaltkreise beeinflussen. Bei CMOS Bonded Array (CBA) werden diese deshalb auf einem eigenen Wafer produziert und anschließend mit dem Speicher-Array verbunden.
Die separate Fertigung stellt eine höhere CMOS-Qualität sicher und erlaubt es, mehrere Speicher-Arrays über der Kontrolllogik anzuordnen. Schon zwei Blöcke können die Speicherdichte künftig verdoppeln.
Die Anforderungen an die Elektronik steigen
Neben zusätzlichen Lagen war in der Vergangenheit die Speicherung von mehreren Bits in einer Zelle der entscheidende Treiber für höhere Speicherdichten. Derzeit ermöglicht QLC (Quad-Level Cell) mit vier Bits pro Zelle die höchste Speicherdichte (1,33 Terabit auf einem Die) und damit die niedrigsten Kosten pro Bit. Allerdings arbeiten die Hersteller bereits an PLC (Penta-Level Cell) mit fünf Bits pro Zelle.
Für jedes Bit, das eine Zelle zusätzlich aufnimmt, muss die Elektronik des Flash-Speichers exponentiell mehr Ladungslevel in der Zelle unterscheiden können. Während es bei SLC (Single-Level Cell) mit einem Bit pro Zelle nur die beiden Ladungslevel für 0 und 1 sind, sind es bei MLC (Multi-Level Cell) mit zwei Bits pro Zelle schon vier (00, 01, 10, 11) und bei TLC (Triple-Level Cell) sogar acht. Bei QLC müssen 16 und bei PLC 32 verschiedene Ladungslevel unterschieden werden – entsprechend gering sind die Unterschiede zwischen den einzelnen Levels und entsprechend fein muss die Elektronik die Ladungen beim Schreiben dosieren.
Ladungsverluste, die im Laufe der Zeit auftreten, oder Störungen, die durch Schreib- und Leseaktivitäten in benachbarten Zellen verursacht werden, können daher bei QLC und künftig PLC schneller zu Bitfehlern führen als bei SLC oder MLC. Die Hersteller steuern hier mit einer leistungsstärkeren Fehlerkorrektur gegen, die kontinuierlich die Ladungslevel überprüft und korrigiert. Die ECC-Mechanismen (Error Correction Code) moderner SSDs mit TLC- oder QLC-NAND vermögen üblicherweise 120 Bitfehler in 1 Kilobyte Daten auszugleichen.
Durch die Speicherung von mehreren Bits in einer Zelle sind die Zellen zudem höheren Schreiblasten ausgesetzt und altern schneller. Deshalb kommt dem Wear Levelling ebenfalls eine hohe Bedeutung zu, weil es die Schreiblasten gleichmäßig über alle Zellen eines Speichers verteilt und defekte Zellen ersetzt. Dennoch sind Speicher mit QLC-NAND weniger robust als solche mit SLC-, MLC- oder TLC-NAND. So überstehen die Zellen in SLC-NAND in der Regel bis zu 100.000 sogenannte Program-/Erase-Zyklen (P/E-Zyklen), die in MLC-NAND mehrere zehntausend und die in TLC-NAND einige tausend. Bei QLC sind es dagegen nur ein paar hundert P/E-Zyklen und bei PLC werden es voraussichtlich weniger als 100 sein.
Passgenaue Speicher für unterschiedliche Einsatzbereiche
Wegen der geringeren Haltbarkeit und der geringeren Schreibgeschwindigkeiten gibt es bisweilen Kritik an QLC – ganz so wie vor einigen Jahren auch bei der Einführung von TLC. Inzwischen hat sich TLC jedoch im Markt bewährt und quasi als der kosteneffiziente Standard im Consumer-, Industrie- sowie Automotive-Bereich etabliert.
„35 Jahre ist es her, dass der erste NAND-Flash-Speicher vorgestellt wurde. Inzwischen hat sich die Technologie dank hoher Geschwindigkeiten und stetig wachsender Kapazitäten gegenüber anderen Flash-Technologien durchgesetzt, so dass 2022 voraussichtlich 780 Millionen Terabyte NAND-Flash ausgeliefert werden.“
Axel Störmann, Kioxia Europe
Für Einsatzbereiche, in denen es auf noch höhere Haltbarkeit oder Performance ankommt, bieten Hersteller weiterhin Speicher mit SLC-NAND an. Diese sind sehr genau auf die spezifischen Anwendungsfälle zugeschnitten, sodass sie im Einsatz auf Boot-SSDs schnelle Systemstarts ermöglichen, auf Caching-SSD umfangreiche Schreiblasten verkraften oder auf Industrie-SSDs mit widrigen Umgebungsbedingungen zurechtkommen. Je nach Anforderungen setzen die Laufwerke immer noch auf NAND mit nur wenigen Lagen – selbst 2D-NAND wird weiterhin nachgefragt und angeboten.
So wie TLC wird auch QLC – und in einigen Jahren PLC – seinen Markt finden und dabei SLC nicht ersetzen, sondern ergänzen. Aktuell steckt QLC schon in vielen Consumer-Speichern wie USB-Flashlaufwerken und Einsteiger-SSDs, bei denen es vor allem auf einen niedrigen Preis ankommt und die in der Regel nur geringen Schreiblasten ausgesetzt sind. Aber auch in Unternehmen gibt es durchaus Anwendungsbereiche, die sich für QLC eignen, beispielsweise Deep Learning. Das Training der Algorithmen erfordert große Datenmengen, auf die regelmäßig lesend zugegriffen wird und die keinen großen Änderungen unterliegen, die viele Schreibaktivitäten verursachen würden. Für solche leseintensiven Anwendungen ist QLC perfekt geeignet und hilft Unternehmen, ihre Speicherkapazitäten kosteneffizient zu skalieren.
Über den Autor:
Axel Störmann ist Vice President for Memory Marketing & Engineering bei KIOXIA Europe
