3D NAND флэш-память
 
2016/03/24 17:38:08

3D NAND флэш-память

3D NAND - это такой тип конструкции флеш памяти, при котором, по сравнению с двумерной NAND, добавляется третье измерение по вертикальной оси. Это не означает, что кристаллы складываются в стопку. Внутри каждого кристалла содержится много слоев ячеек памяти, расположенных один над другим. На той же площади, которую занимает один плоский сегмент ячеек памяти, можно расположить несколько вертикальных сегментов. Благодаря этой технологии отпала необходимость дальнейшего уплотнения ячеек, что позволило обойти литографический барьер и вернуться к использованию техпроцесса 30 или 40 нм, при значительном увеличении количества ячеек. Таким образом существенно возрастает объем памяти и скорость работы, а потребление энергии уменьшается.

Содержание

2016: Рынок ждет 3D NAND flash

В 2016 году Intel и Micron Technology представят технологию 3D XPoint memory, также известную как Optane, которая увеличит производительность и надежность жестких дисков в тысячу раз по сравнению с существующей технологией NAND flash.

Не надо списывать со счетов NAND flash. Несмотря на то что все идет к тому что чип Optane и другие технологии хранения данных могут заменить дорогую DRAM для многих приложений, это будет недёшево в течении долгого времени. Поэтому пока остается возможность для дальнейшего продвижения NAND flash.

Samsung, Intel\Micron Technologies, Toshiba и другие верят что технология 3D NAND flash позволит увеличивать максимальный объем и снижать стоимость жестких дисков. В конечном счете, 3D NAND даже убедит потребителей в том, что SSD могут быть такими же доступными как HDD.

"Очень скоро flash память будет такой же дешевой как вращающиеся носители, - говорит Сива Сиварам, исполнительный вице-президент SanDisk.

Эти технологические успехи лишь последняя глава в долгой истории постоянно растущих потребностей в области хранении данных, которые заставляют инновации соответствовать новым требованиям.

Ранее в индустрии энергонезависимой памяти были достигнуты значительные успехи для увеличения максимального объема. Одноуровневая ячейка (SLC) NAND flash стала многоуровневой (MLC) NAND, где вместо одного бита на транзистор, хранилось два или три бита. Когда MLC NAND достигла своего предела с 10 нанометровым литографическим процессом, Samsung, а вслед за ней и Intel/Micron Technologies и Toshiba, представили 3D NAND flash, которая группировала NAND ячейки в виде структуры высотой до 48-и уровней. Производители flash памяти верят, что для них нет предела в росте.

Image:HDD-2016-02.jpg

Несмотря на то что 2D NAND подходит к пределу масштабирования из-за размера и ошибок литографии, группировка уровней для создания 3D NAND обходит эти трудности. Рисунок выше показывает один способ достижения 3D NAND. Горизонтально сгруппированные информационные линии вокруг центрального отверстия памяти представляют сгруппированные NAND биты. Эта конфигурация уменьшает требования к литографии. Центральное отверстие минимизирует смещение соседних битов, и общая плотность значительно увеличивается.

Небоскребы NAND flash вырастут за пределы 100 ярусов

Начиная с первой итерации, технология 3D NAND flash предлагала увеличение надежности от двух до десяти раз и в два раза большую производительность записи по сравнению с плоской NAND.

Более важно, однако, что 3D NAND устранила литографический барьер (который был у одноуровневой NAND), с которым столкнулись производители, как только уменьшили размер транзисторов ниже 15 нанометров. Меньший литографический процесс привел к ошибкам данных, так как биты (электроны) просачивались между тонкими стенками ячеек.

«Важно то, что ты не строишь эти 3D NAND небоскребы по одному этажу за раз. Мы знаем, как подняться от 24 уровней до 36, 48, 64 и т. д.», - говорит Сиварам. «Здесь нет физических ограничений. Что у нас есть сейчас в 3D NAND, это предсказуемое масштабирование на три и четыре поколения – нечто такое, чего у нас раньше никогда не было».
Image:HDD-2016-01.jpg

Технология 3D Xpoint, также известная как Optane, примерно в 1000 раз быстрее чем NAND; один чип может хранить до 128 Гигабит данных.

По состоянию на март 2016 года ожидается, что Samsung, SanDisk и Toshiba, Intel и Micron Technology могут создать 48-уровневый 3D NAND, который может хранить 256 Гбит (32 ГБ) на одном чипе. Хотя Samsung единственная компания, которая массово производит 48-уровневые чипы, остальные производители планируют вскоре запустить свои продукты.

SanDisk, по словам Сиварама, уже запланировала 3D NAND чипы с более чем сотней уровней.

«Мы не видим физического предела тому, как далеко мы можем зайти. Если я спрошу NAND производителей как далеко мы можем зайти, они не скажут мне что мы можем дойти до 96 или 126 уровней, и это будет физический предел»,- сказал Сиварам. «Это было нашей мечтой долгое время».

В то время как производственные мощности для создания 3D NAND намного более дорогие чем оборудование для производства плоской NAND или HDD – одна установка может стоить $10 млрд. – Сиварам утверждает, что со временем они оптимизируют стоимость по мере внедрения серийного производства.

Ценообразование — это ключевой момент

В то время как предприятия и потребители любят объем – чем больше, те лучше – цена чаще всего определяет выбор.

Intel и его партнер по разработке Micron Technology, работают над тем, что может стать революцией в индустрии энергонезависимой flash памяти: чип Optane – известный внутри Intel как 3D XPoint.

Хотя Intel предоставил мало информации о том, чем будет Optane, большинство экспертов в индустрии верят, что это разновидность резистивной RAM.

Image:HDD-2016-03.jpg

Двухуровневое изображение чипа резистивной RAM архитектуры 3D XPoint (Optane). Данная архитектура устраняет потребность в транзисторах для хранения битов и вместо этого использует решетку проводников, которые используют электрическое сопротивление для обозначения 1 или 0.

Резистивная RAM (ReRAM) способна осуществлять операции чтения и записи потребляя в 50-100 раз меньше мощности чем NOR flash, что делает ее идеальной для мобильных устройств – даже переносных.

ReRAM основана на концепции «резистора памяти», также известной как мемристор (memristor). Термин мемристор был введен ученым Леоном Чуа из университета Калифорния-Беркли в начале 1970-х.

До появления мемристора, исследователи знали только три базовых элемента цепи – резистор, конденсатор, и катушка индуктивности. Мемристор, который потребляет намного меньше энергии и предлагает большую производительность, чем предыдущие технологии, был четвертым.

На март 2016 года, единственная компания, поставляющая ReRAM продукты это Adesto Technologies. Она представила новый проводящий мостовой RAM чип (CBRAM) для устройств, ориентированных на аккумулирование энергии и работу от батареи, которые используются на рынке интернета вещей.

Image:HDD-2016-04.jpg

Микроскопическое фото профиля контура Resistive RAM, где тонкие проводящие нити пересекаются и соединяются с силиконовыми уровнями чтобы представить бит данных.

В то же время, Intel планирует предоставить свои Optane диски для пользователей персональных компьютеров в 2016 году. Разработанные совместно с Micron, новые диски, как предполагается, должны быть в 10 раз компактнее чем DRAM, и в теории в 1000 раз быстрее и надежнее чем NAND SSD.

С увеличенным в тысячу раз ресурсом NAND, диски Optane предоставят один миллион циклов чтения-записи, что означает, что новая память будет работать практически бесконечно.

«Она не такая быстрая как DRAM, поэтому она ее не заменит в большинстве чувствительных к задержке приложений, но у нее намного больше компактность и намного меньшая задержка по сравнению с NAND», - говорил Расс Мэйер, производственный директор Micron, в интервью Computerworld. «Если вы сравните насколько SSD быстрее по сравнению с HDD и насколько быстрее 3D XPoint по сравнению с традиционным NAND, это будет улучшение одного порядка»,- сказал Мэйер.

Intel продемонстрировала, что Optane диски работают примерно в семь раз быстрее чем существующие SSD.

В 2016 году, Intel также планирует выпустить Optane диски для серверов, основанных на его новом процессоре Skylake.

На ряду с дисками Optane SSD, ожидается что ReRAM технология будет представлена как DIMM-чипы которые вставляются в слоты памяти.

Алан Чен, старший руководитель научно-исследовательского отдела в DRAMeXchange, подразделения TrendForce, сказал, что даже если технология ReRAM от Intel выйдет на потребительский рынок персональных компьютеров в 2016 году, ее использование будет ограничено топовыми продуктами из-за высокой стоимости.

«Влияние Optane на рынок SSD будет определятся ее ценой. В настоящее время, Optane продукты по-прежнему более дорогие чем широко распространенные NAND аналоги. Следовательно, они вначале повлияют только на рынок самых дорогих SSD», - уверен Чен.

В 2015 году, Hewlett-Packard и SanDisk анонсировали соглашение о совместной разработке Storage Class Memory (SCM) ReRAM которая может заменить DRAM и которая должна быть в 1000 раз быстрее чем NAND flash.

Стартап Knowm в Мехико также работает над производством мемристоров.

Image:HDD-2016-05.jpg

Мемристор компании Knowm может позволить создать умные компьютеры, которые будут подражать работе человеческого мозга.

Новый мемристор может привести к созданию умных компьютеров имитируя реакции человеческого мозга.

Мемристоры компании Knowm разработаны для имитации человеческого мозга, в котором синапсис соединяет два нейрона. Эти нейроны становятся сильнее по мере того как между ними проходят электрические сигналы. Похожим образом, обучение и удержание информации в мемристорах Knowm определяется характеристиками потока данных и электрическим током.

Чен раскрыл информацию о том, что Samsung также работает над технологией похожей на Optane от Intel, которая инкорпорирует производство DRAM и NAND. Samsung, однако, отказался это комментировать.