3D-NAND-Flash: Hersteller verschieben Grenzen bei Kapazität, Zuverlässigkeit und Performance

Der globale Speichermarkt erlebt einen Nachfrageschub nach NAND-Flash, getrieben vom unaufhaltsamen Wachstum datenintensiver Anwendungen wie IIoT, Smart Factories, autonomes Fahren und Edge Analytics. Mit der Weiterentwicklung dieser Use Cases hat der Bedarf an höherer Kapazität, schnellerem Zugriff und größerer Zuverlässigkeit die Hersteller zu anspruchsvolleren Architekturen getrieben.

In einem aktuellen Interview erläuterte Lena Harman, Marketing Communications Manager bei Hyperstone, wie 3D-NAND-Flash die Zukunft des Datenspeichers prägt. „NAND-Flash wird rasch zum Rückgrat des globalen Speichers“, so Harman. „Seine Dominanz hat kontinuierliche Innovationen der letzten zwei Jahrzehnte angestoßen, die Hersteller veranlassten, Prozessflüsse zu verfeinern, Zelldichte zu erhöhen und Strukturgrößen zu verkleinern. Der Übergang zur 3D-Architektur hat viele der in 2D-NAND inhärenten Herausforderungen gemildert.“

Anders als herkömmlicher Speicher verfügt NAND-Flash nicht über eingebaute Logik; er verlässt sich auf einen Flash-Speichercontroller, um den Datenfluss zwischen Host-Interface und den rohen Speicherzellen zu orchestrieren. Das Controller-Design muss das spezifische Protokoll jedes Formfaktors – USB, SATA, CF PATA oder SD – berücksichtigen und einen zuverlässigen Betrieb auf diversen Plattformen sicherstellen.

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

2D NAND bietet exzellente Zugriffszeiten, niedrige Latenz und kleine Formfaktoren, doch die 15-nm-Grenze hat signifikante Fehlerraten und reduzierte Datenintegrität eingeführt. 3D NAND adressiert diese Probleme, indem es mehrere Zellenschichten stapelt und so die Speicherdichte erhöht, ohne die individuelle Zellgröße zu verkleinern.

3D NAND Flash

3D NAND liefert höhere Dichte, sodass Anbieter gigabyte-starke Geräte auf einem einzelnen Silizium-Wafer fertigen können, bei Erhalt der Ausbeute. Die Architektur stapelt Zellenschichten, die jeweils getrennt sind, um Interferenzen zu minimieren, und kann sowohl mit Floating-Gate- als auch mit Charge-Trap-Technologie gebaut werden.

Floating-Gate-Zellen speichern Ladung auf einem isolierten Gate zwischen Kanal und Control Gate. Im Gegensatz dazu fangen Charge-Trap-Zellen Ladung in Siliziumnitrid-Fallen ein. Beide Ansätze setzen auf einen robusten Flash-Speichercontroller, um Datenintegrität und Performance zu managen.

Mit der Verbreitung von 3D NAND ist die Nachfrage nach High-End-Controllern gestiegen. Diese erhöhen Ausdauer und Langlebigkeit durch fortschrittliche Fehlerkorrekturschemata und ausgeklügelte Datenmanagement-Algorithmen.

Aktuelle 3D-Stapel erreichen bis zu 176 Lagen, und obwohl es keine harte physische Decke gibt, könnte weitere Expansion hybride Stapelverfahren erfordern. Über das letzte Jahrzehnt haben diese Fortschritte hochkapazitive Laufwerke weltweit zugänglicher gemacht, wenngleich mit komplexer und kostspieliger Fertigung.

Flash-Controller: Das Rückgrat zuverlässigen Speichers

Flash-Controller übersetzen Host-Befehle in NAND-Operationen, eliminieren die Notwendigkeit sperriger Stecker und wahren Interface-Standards. Hyperstones U9-Familie liefert eine Turnkey-Lösung für industrielle, hochausdauernde Flash-Laufwerke und -Module, die USB 3.1 SuperSpeed (5 Gbit/s) unterstützen. Die Firmware integriert die proprietäre FlashXE (eXtended Endurance) Technologie.

FlashXE nutzt Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH) Codes, ergänzt durch ein Generalized Concatenated Codes (GCC) Modul, das in der Fehlerkorrekturleistung mit LDPC konkurriert. Als Disk-on-Board (DoB) Lösung – diskrete Komponenten direkt auf dem Host-PCB verlötet – bietet diese Architektur Deep-Embedding-Fähigkeit, Kosteneffizienz und volle Kontrolle über die Stückliste.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EE Times Europe veröffentlicht.