3D NAND – hva ligger bak? - Elektronikknett
3D XPoint Wafer close up
Nærbilde av skive/wafer av Intels 3D XPoint.

3D NAND – hva ligger bak?

NAND Flash minneteknologi, presentert for første gang i 1989, er fortsatt basis for alle kommersielle Flash-minnemoduler. Men mye har skjedd siden den gang.

Twele Patrick_Rutronik Artikkelforfatteren, Patrick Twele, Rutronik.

Selv om denne basisteknologien er blitt utviklet videre på flere måter, gjelder originalprinsippet fortsatt: Individuell celler arrangert i en planar matrise som lagrer informasjon i form av spenning. En teknologi som opprinnelig var ganske dyr og upålitelig, og med lav kapasitet, men som nå dominerer i nær alle markedssegmenter eller vil fortsette å gjøre det i fremtiden. Suksessen kommer fra kostnadsreduksjoner gjennom miniatyrisering av strukturer.

Mer plass per celle
En annen suksessfaktor er muligheten til å lagre mer informasjon per celle takket være variable spenningsnivåer, sammen med ny programvarefunksjoner.

I dag har vi nådd en fysisk grense når det gjelder strukturminiatyrisering. På grunn av dette øker antall feil når data skal leses og evnen til å holde på data over lengre tid forminskes. Derfor kan man ikke få ut mer av denne metoden.Imidlertid, for å holde veksten gående, krever produsentene høyere kapasiteter til lavere pris. Hva som mangler er en helt ny teknologi eller i det minste et innovativt prinsipp basert på den originale NAND-idéen.

3D NAND som erstatter for planar flashminne
Dessverre er ideen om at 3D-minne kun består av stablede, planare NAND-matriser, ikke kompatibel med virkeligheten. Produsenter som Intel/Micron, Toshiba/SanDisk, Hynix og Samsung, trenger flere år på å utvikle en flashkrets fram til produksjonsmodningsfasen. I dag er resultatet av disse investeringene at det finnes to forskjellige teknologier i markedet. Inte/Micron bruker en «flytende» port i sin 3D NAND-brikke for å spare elektronene, det vil si samme prinsipp som tidligere 2D NAND-arkitektur. Alle andre satser på minne med fangst av spenning eller last, kalt 3D V-NAND av Samsung.

Intel-Cross Point Image Modell av Intels 3D NAND-løsning. Intel/Micron benytter en såkalt flytende portløsning i sin konstruksjon.

Flytende port som brukes av Intel/Micron lagrer spenningen på en elektrisk isolert port mellom kanalen og kontrollporten. Med spenningsfangst-minne, er spenningen lagret i fangstsentre, et silisium-nitrid-lag som er separert fra kanalen via et tynt oksid tunnel-lag.

Fordeler og ulemper med de forskjellige teknologiene i industrielle applikasjoner kan bare vurderes når produktene er tilgjengelig på markedet. Det vil antagelig skje tidligst i første kvartal 2018.

3D NAND med flytende porter bruker også TLC og MLC lagringsteknologier som er kjente planar-minner. Her er for øvrig holdbarheten bedre. Det antas at spenningsfangst-minne vil være enda bedre her, men det gjenstår altså å se.

Microns 3D NAND med 32 lag bruker flytende portteknologi. Den minste spesifiserte kapasiteten i denne serien er 32 GB med MLC og 48 GB med TLC. Imidlertid er det ikke mange applikasjoner i industrisektoren som krever så mye kapasitet. Dessuten er teknologien kostbar og derfor ikke særlig egnet.

Et annet moment å ta med når man vurderer denne lagringsløsningen, leder fokus mot «Write Amplification Factor» (WAF), Det beskriver relasjonen mellom filstørrelse som skal skrives og faktisk skrevet datavolum på flashbrikken. En viktig rolle en slik beregning gjøres av den interne blokkstørrelsen til flash-kretsen. Planarkretser produseres med blokker på mellom 4 og 8 megabyte. Micron spesifiserer 16 MB for sin 32-lag-serie og 28 MB for TLC-produkter. Kombinert med en applikasjon som ofte skriver små filstørrelser, vil det føre til unødvendig slitasje og forårsake tidlig minnefeil. I dette spesielle tilfellet gjelder jo større de individuelle blokkene er, jo værre er WAF. Et DRAM-buffer kan for eksempel være løsningen her.

Disse spesifikasjonene viser at det er liten sannsynlighet for at 2D-løsninger forsvinner helt fra markedet i nær fremtid. I tillegg kommer at produsentene har ennå ikke presentert et produkt med høy temperaturmotstand som ofte kreves i industrien, mens forbrukermarkedet trenger ikke disse egenskapene.

Det vil derfor være et mistak å vurdere 3D NAND som en ren etterfølger til planare minnekretser. I fremtiden vil presis kunnskap om applikasjon og minneteknologi fortsatt være nødvendig.

Intel og Microns 3D XPoint-teknologi: En helt ny minnetype
I motsetning til den tidligere plane NAND-arkitekturen bruker 3D XPoint-lagringsteknologien ikke transistorer og har en 3D-lagringsstruktur. De faktiske minnecellene er, i motsetning til "normal" 3D NAND, plassert på kryssene i 3D-nettet. Navnet 3D XPoint refererer således til minnets arkitektur. Fordelene ved dette arrangementet, og dermed den mulige individuelle adressering av cellene, er raskere lese- og skriveprosesser ved høyere kapasiteter og en tetthet som er åtte til ti ganger høyere enn med DRAM til lavere kostnader.

Intel-Optane-Memory-1 Intel Optane som kombinerer 3D XPoint, minne og minnekontrollere, Intel Interconnect IP og programvare.

Det virkelig revolusjonerende aspektet av 3D XPoint er at det strengt tatt hverken kan klassifiseres som et flashminne eller DRAM på grunn av dens verdier. Mens DRAM lagrer og leser data med svært høye hastigheter, men ikke kan beholde dem når spenningen er slått av, kan et flashminne beholde dataene uten at spenningen blir påført – men kan bare behandle dem veldig sakte. Intels 3D XPoint danner en bro mellom disse to teknologiene og muliggjør dermed helt nye applikasjoner. Informasjonen behandles raskt og beholdes uten at spenningen blir påført. Utholdenhet er høyere enn med plan SLC NAND, og PCIe 3.0 x2-grensesnittet med NVMe-protokollen gir rask tilgangstid. 3D XPoint kombinerer derfor fordelene med DRAM og flash-teknologi. Pakket i en M.2 formfaktor med navnet Optane Memory, kan den brukes som en flash-løsning som også kan påta seg hovedminnets oppgaver. Denne applikasjonen resulterer i et system som tilpasser seg brukerens behov. Den integrerte intelligente programvaren lærer automatisk typiske prosedyrer som datamaskinen bruker. Data som ønskes raskt for dette hentes direkte fra M.2-modulen. DRAM er ikke egnet for denne oppgaven da dataene vil gå tapt igjen. Systemet kan dermed akselerere hyppig forekommende oppgaver og optimalisere bruk av datamaskinen individuelt.

Imidlertid må man være oppmerksom på de høye kostnadene knyttet til minneproduksjon. 3D XPoint har derfor en dårlig kostnad per GB. I tall betyr dette grovt sett; 3D XPoint er omtrent halvparten av prisen til en DRAM, men fem ganger dyrere enn MLC NAND. Og det har heller ingen høy temperaturmotstand. En ytterligere forutsetning for en applikasjon er obligatorisk bruk av en 7. generasjons Intel Core-prosessor.

16 GB og 32 GB versjoner er allerede tilgjengelige. Ytterligere kapasiteter og formfaktorer som 2,5 "SSDs forventes i fremtiden.

Spørsmålet som gjenstår, er å avgjøre hvilket produkt som passer best til din applikasjon. Rutronik kan levere alle størrelser og kapasiteter som for øyeblikket er tilgjengelig på markedet – og dette vil fortsette i fremtiden gjennom nært samarbeid med ledende produsenter: Apacer, Intel, Swissbit, Toshiba og Transcend.

Kommentarer