3D NAND Flash, Lager, Prestanda, Densitet och Evolution –

Det första 3D NAND-chippet släpptes 2013, det var Samsungs första 16GB V-NAND-chip, bestående av 24 lager. Med tiden har antalet lager ökat och idag kan vi hitta 176-lagers 3D NAND-konfigurationer. Finns det en gräns för antalet lager i 3D NAND?

Vad är NAND Flash-minne?

NAND-flashminne är en typ av icke-flyktigt random access-minne, vilket innebär att det behåller sin information efter ett strömavbrott. Liksom RAM är det organiserat från minneschips, men till skillnad från RAM har det lägre bandbredd och högre latens.

Därför är det lagringsminne som används som hårddiskar, som, liksom RAM, växer år efter år på grund av Moores lag. Något som accelereras av distributionen av 3D NAND-minne. Den använder dussintals staplade 2D-minneschips, vilket är flera gånger kapaciteten för RAM.

Varför behöver du 3D NAND?

Den största skillnaden mellan klassisk 2D NAND och 3D NAND är hur cellerna interagerar. I 2D NAND finns minnescellerna i vilka bitarna är lagrade tillsammans på en enda form. Således bestäms kapaciteten för varje chip å ena sidan av vilken typ av cell som används, och å andra sidan av antalet celler som vi får plats på chipet.

Av dessa skäl begränsas användningen av 2D NAND av två faktorer. Den första av dessa är den mest kända och är relaterad till produktionsnodens kapacitet, som används för att producera minne. Det vill säga antalet transistorer per mm2. Å andra sidan är den andra orsaken mer okänd, eftersom den är förknippad med en minskning av avståndet mellan transistorerna och de genererade elektriska fälten.

Med andra ord, ju närmare cellerna är, desto större är risken att den elektriska laddningen i cellen så småningom kommer att korrumpera data från den angränsande cellen. Därför är det nödvändigt att implementera 3D NAND-system baserade på den vertikala interaktionen av flera 2D NAND-chips. Tanken är att minska tätheten av cellerna i var och en av mikrokretsarna i batteriet så att den elektriska laddningen i en av cellerna inte förstör innehållet i de andra.

Det är detta faktum som gör 2D NAND-chipsen som används för att bygga 3D-NAND på en mindre avancerad tillverkningsnod, och därför mindre täta vad gäller antalet transistorer, än de som är rent tvådimensionella.

Hur många lager stöder 3D NAND-minne?

3D NAND-minne skiljer sig dock från 3D RAM som HBM i hur minnesstacken är organiserad, eftersom från och med minneschippet längst ner i stacken är resten av chipsen som sitter längst upp mindre tills ögonblicket kommer när 2D NAND-minneskretsarna som utgör stacken är för små för att skalas ytterligare. Tänk, som vi förklarade i föregående avsnitt, att användning av nya noder och ökad celltäthet tvingar vissa nivåer av lagringskapacitet att öka antalet lager för att undvika kontaminering. elektrisk kraft mellan celler.

I genomsnitt lägger tillverkare till 30-50 % fler lager med varje 3D NAND-generation. De nuvarande bästsäljarna är 96-lagers 3D NAND med över hälften av marknadsandelen, följt av 128-lagers minne med 15% marknadsandel. Generationer av evolution? Var 18:e månad i genomsnitt, så det kommer inte att dröja förrän i slutet av 2022 som vi kommer att se nästa generation av 256-lagers 3D NAND.

Ökad kapacitet med QLC- och PLC-celler

PLC-celler är de minst pålitliga av dem alla och tillåter lagring av upp till 4 bitar per cell, men begränsar produktens livscykel. Behovet av lagringskapacitet för många människor har dock ökat efterfrågan på QLC-celler, som var 15% av efterfrågan 2021, men förväntas nå 2025% med 50.

Denna process förväntas upprepas med 5-bitarsceller eller PLC:er som Intel introducerade som ett förslag för några månader sedan. Det här är trots allt samma process som redan har hänt med TLC och sedan QLC. Även om prognoserna är baserade på användningen av QLC-celler och tekniska framsteg för 2025.

Vilken situation kommer vi att hamna i? Vi förväntas nå 2 cent per gigabyte lagring till 2025. Detta innebär en genomsnittlig kostnadsminskning på 20 % på årsbasis och därmed 30 % mellan generationerna. År 2025 förväntas 384-lagers 3D NAND-konfigurationer.

När kommer 3D NAND att ersätta hårddiskar?

Konventionella hårddiskar är överlägsna NAND-flash på ett område – förmågan att lagra data. Det är sant att vi kan sammanställa en lista över saker som SSD:er är bättre på för tillfället, som det faktum att de inte är beroende av mekaniska delar, har snabbare söktider och framför allt mer bandbredd.

Frågan uppstår: under vilket år kommer kostnaden för 3D NAND att vara billigare än en hårddisk? Nåväl, prognoser pekar mot 2033, så det finns fortfarande mer än ett decennium när hårddiskar kommer att överträffa 3D NAND-minne.

Anledningen till att vi kommer att behöva vänta så länge är att kostnaden för de produktionsenheter som kommer att sättas in under de kommande åren kommer att bli allt dyrare, vilket kommer att vara en viktig faktor i denna aspekt. Det betyder dock inte att vi kommer att fortsätta använda hårddiskar under de kommande åren, speciellt eftersom solid state-diskar blir mer populära och har fördelar som går utöver lagringskapaciteten.