Hersteller treiben weitere Fortschritte beim 3D-NAND-Flash

Der globale Speichermarkt erlebt eine wachsende Nachfrage nach NAND-Flash. Dieser Technologie wurde durch viele Entwicklungen Rechnung getragen, nicht nur in den Fähigkeiten heutiger Flash-Controller, sondern insbesondere durch die 3D-NAND-Architektur. Da das industrielle Internet der Dinge (IIoT), intelligente Fabriken, autonome Fahrzeuge und andere datenintensive Anwendungen immer mehr an Bedeutung gewinnen, werden die Anforderungen an die Datenspeicherung für diese anspruchsvollen Anwendungen immer anspruchsvoller.

In einem Interview bestätigte Lena Harman, Marketing Communications Manager bei Hyperstone, dass 3D-NAND-Flash einen großen Schritt nach vorne macht. Die neue Speichertechnologie hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und bietet eine interessante Alternative zu den etablierten 2D-NAND-Speichertechnologien in SSDs.

„NAND-Flash-Speicher übernimmt die Datenspeicherung auf globaler Ebene“, sagte Harman. „Es dominiert unsere Zukunft, treibt neue Entwicklungen an und ist in den letzten zwei Jahrzehnten stark gewachsen. Die ständige Nachfrage nach höheren Kapazitäten hat die Hersteller von NAND-Flash dazu veranlasst, ihre Prozesse zu optimieren, um mehr Bits pro Zelle zu speichern und die Feature-Größen zu verringern. Während wir jetzt über eine 3D-Architektur verfügen, die einige der Herausforderungen mildert. NAND-Flash hat „keinen Verstand“ und hat inhärente Unvollkommenheiten, weshalb es einen Flash-Speicher-Controller benötigt, um alle Komplexitäten zu bewältigen, die mit Datenübertragungen einhergehen.“

Der Flash-Speichercontroller fungiert als Mittelsmann/Datenverwaltungssystem, wenn es darum geht, Daten von einer Host-Schnittstelle (verbunden mit einem System) zum NAND-Flash zu übertragen. Je nach Schnittstelle/Formfaktor gibt es unterschiedliche Protokolle, die der Flash-Controller in seinem Design berücksichtigen muss, um richtig funktionieren zu können, weshalb wir viele verschiedene Controller für unterschiedliche Schnittstellen (zB USB, SATA, CF PATA, SD) entwickeln.

3D-Technologie:Floating Gate vs. Charge-Trap-Technologie

Die 2D-NAND-Flash-Technologie zeichnet sich durch schnelle Zugriffszeiten, niedrige Latenzen, geringen Stromverbrauch, Robustheit und kleine Formfaktoren aus. Diese großen technologischen Fortschritte zielen darauf ab, durch strukturelle Miniaturisierung die Kosten zu senken. Die bei 15 nm erreichte Grenze hat jedoch neue Herausforderungen in Bezug auf Fehler beim Datenauslesen und reduzierte Robustheit und Datenintegrität mit sich gebracht. Daher gehen Innovationen in Richtung dreidimensionaler NAND-Flash (3D-NAND) und erhöhen die Anzahl der Bits pro Zelle. In einem 3D-NAND-Flash-Speicher sind mehrere Schichten von Flash-Zellen gestapelt.

3D-NAND-Flash

Die 3D-NAND-Speichertechnologie bietet sowohl für Anbieter als auch für Kunden zahlreiche Vorteile. Eine höhere Speicherdichte stellt sicher, dass Anbieter von Flash-Speichern Geräte mit höheren Kapazitäten und mehr Gigabyte in einem Siliziumwafer bei gleichem Ertrag herstellen können. 3D-NAND ist eine Flash-Datenspeichertechnologie, bei der mehrschichtiges Silizium geschnitten wird, Speicherzellen gestapelt werden, um die Dichte zu erhöhen und es den Zellen ermöglicht, sich auf jeder Schicht zu erstrecken, indem Interferenzen von benachbarten Zellen reduziert werden. Der Herstellungsprozess von 3D-NAND ist auch weniger kompliziert als bei anderen alternativen Technologien, da dasselbe Material verwendet wird, jedoch mit kleinen Modifikationen, um einfache NANDs herzustellen. Bisher haben sich zwei Ansätze durchgesetzt:Floating Gate und Charge Trapping.

Beim Floating-Gate-Verfahren werden Ladungen durch ein elektrisch isoliertes Floating-Gate gespeichert, das sich zwischen dem Kanal und dem Steuergate befindet. In Charge-Trapping-Architekturen werden Ladungen in Trapping-Zentren gehalten, die aus einer Schicht aus Siliziumnitrid bestehen.

Unabhängig davon, ob die verwendete Technologie Charge Trap oder Floating Gate ist, müssen die Daten, die von einem bestimmten Hostsystem an den NAND-Flash gesendet werden, von einem Flash-Speichercontroller verwaltet werden. Aus diesem Grund ist eine hochzuverlässige Steuerung integraler Bestandteil eines leistungsstarken Systems. Die 3D-Architektur hat den Weg für High-Density-Flashes geebnet, aber Speicheranwendungen, die auf dieser Technologie basieren, haben heute einen zunehmenden Bedarf an höherer Zuverlässigkeit und Datenspeicherung, die nur durch einen High-End-Controller erreichbar sind. Letztendlich ist die Wahl des Flash-Speichercontrollers der Schlüssel zu mehr Ausdauer und Langlebigkeit.

Die aktuelle 3D-Architektur verwendet bis zu 176 Ebenen. Obwohl es derzeit keine strikte physikalische Grenze für die Anzahl der Schichten zu geben scheint, kann es erforderlich sein, unterschiedliche Entwicklungsmethoden zu kombinieren, um 3D-Formen übereinander zu stapeln. Die Entwicklungen in der 3D-Architektur in den letzten zehn Jahren haben dazu geführt, dass Flash-Laufwerke mit hoher Kapazität weltweit verfügbarer werden. Obwohl diese Technologie viele Vorteile in Bezug auf Leistung, Langlebigkeit und ihre Fähigkeit, Zellen mit höherer Dichte (TLC, QLC) zuverlässiger zu machen, gebracht hat, ist sie auch mit komplexen und unglaublich teuren Herstellungsprozessen verbunden.

Flash-Controller

Der Controller stellt die Schnittstelle zwischen dem Host und dem NAND-Flash unter Verwendung von Standardschnittstellen bereit, jedoch ohne die Kosten und den Platzbedarf für physische Anschlüsse. Die Hyperstone U9-Familie von Flash-Speicher-Controllern bietet zusammen mit der mitgelieferten Firmware eine benutzerfreundliche, schlüsselfertige Lösung für industrielle, langlebige und robuste Flash-Speicher-Laufwerke oder -Module, die mit Hostsystemen mit USB 3.1 SuperSpeed ​​5 Gbit/s-Schnittstelle kompatibel sind. Die Fehlerkorrekturfunktionalität in Hyperstone-Speichercontrollern umfasst eine proprietäre Technologie namens FlashXE (eXtended Endurance).

FlashXE implementiert eine Fehlerkorrektur basierend auf Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)-Codes, und die Controller verfügen auch über ein zusätzliches Fehlerkorrekturmodul, das Generalized Concatenated Codes (GCC) verwendet und eine hochmoderne Fehlerkorrektur bietet, die mit LDPC (Low Density) vergleichbar ist Paritätscode). Wenn das Solid-State-Laufwerk mit diskreten Komponenten direkt auf einem Host-PCB implementiert wird, wird dieser Ansatz als Disk on Board (DoB) bezeichnet. Ein DoB-Ansatz ist ideal für tief eingebetteten Speicher. Es hat auch viele Vorteile, die es in anderen Nutzungsszenarien attraktiv machen. Die Verwendung diskreter Komponenten anstelle eines fertigen Produkts reduziert die Gesamtkosten und gibt dem Hersteller die vollständige Kontrolle über die Stückliste.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EE Times Europe.