Fabrikanten stimuleren verdere vooruitgang in 3D NAND-flash

De wereldwijde opslagmarkt is getuige van een groeiende vraag naar NAND-flash. Aan deze technologie is door vele ontwikkelingen voldaan, niet alleen in de mogelijkheden van de huidige flitscontrollers, maar vooral door de 3D NAND-architectuur. Naarmate het Industrial Internet of Things (IIoT), slimme fabrieken, autonome voertuigen en andere data-intensieve toepassingen steeds meer terrein winnen, zijn de vereisten voor gegevensopslag voor deze veeleisende toepassingen uitdagender geworden.

In een interview erkende Lena Harman, marketingcommunicatiemanager bij Hyperstone, dat 3D NAND-flash een grote stap voorwaarts maakt. De nieuwe geheugentechnologie heeft de afgelopen jaren enorme vooruitgang geboekt en biedt een interessant alternatief voor de gevestigde 2D NAND-geheugentechnologieën die in SSD's worden gebruikt.

"NAND-flashopslag neemt de gegevensopslag op mondiaal niveau over", zegt Harman. “Het domineert onze toekomst, stimuleert nieuwe ontwikkelingen en heeft de afgelopen twee decennia een sterke groei doorgemaakt. De constante vraag naar hogere capaciteiten heeft NAND-flashfabrikanten ertoe aangezet hun processen te optimaliseren, zodat er meer bits per cel kunnen worden opgeslagen en de functiegroottes kleiner worden. Terwijl we nu een 3D-architectuur hebben die enkele van de uitdagingen verlicht. NAND-flash heeft 'geen hersens' en heeft inherente onvolkomenheden, daarom heeft het een flash-geheugencontroller nodig om alle complexiteiten die gepaard gaan met gegevensoverdracht te beheren."

De flashgeheugencontroller fungeert als tussenpersoon/gegevensbeheersysteem als het gaat om het communiceren van gegevens van een hostinterface (verbonden met een systeem) naar de NAND-flash. Afhankelijk van de interface/vormfactor zijn er verschillende protocollen waarmee de flashcontroller rekening moet houden bij het ontwerp om goed te kunnen functioneren. Daarom ontwikkelen we veel verschillende controllers voor verschillende interfaces (bijv. USB, SATA, CF PATA, SD).

3D-technologie:zwevende poort versus laadvaltechnologie

2D NAND-flashtechnologie heeft snelle toegangstijden, lage latenties, laag stroomverbruik, robuustheid en kleine vormfactoren. Dergelijke grote technologische vooruitgang is gericht op het verlagen van de kosten door structurele miniaturisering. De limiet die op 15nm is bereikt, heeft echter nieuwe uitdagingen met zich meegebracht op het gebied van fouten tijdens het uitlezen van gegevens en verminderde robuustheid en gegevensintegriteit. Innovaties gaan daarom in de richting van driedimensionale NAND-flitser (3D NAND) en verhogen het aantal bits per cel. In een 3D NAND-flashgeheugen worden meerdere lagen flashcellen gestapeld.

3D NAND-flitser

3D NAND-geheugentechnologie biedt tal van voordelen voor zowel leveranciers als klanten. Een hogere geheugendichtheid zorgt ervoor dat leveranciers van flashgeheugen apparaten met hogere capaciteiten en meer gigabytes in een siliciumwafer kunnen produceren voor dezelfde opbrengst. 3D NAND is een flash-technologie voor gegevensopslag waarbij meerlaags silicium wordt gesneden, geheugencellen worden gestapeld om de dichtheid te vergroten en cellen op elke laag te laten overspannen door interferentie van aangrenzende cellen te verminderen. Het productieproces van 3D NAND is ook minder gecompliceerd dan andere alternatieve technologieën, omdat het hetzelfde materiaal gebruikt, maar met kleine aanpassingen om eenvoudige NAND's te produceren. Tot op heden zijn twee benaderingen standaard geworden:floating gate en charge trapping.

Bij de methode met zwevende poort worden ladingen opgeslagen via een elektrisch geïsoleerde zwevende poort die zich tussen het kanaal en de stuurpoort bevindt. In ladingsvangstructuren worden ladingen vastgehouden in vangcentra, die bestaan ​​uit een laag siliciumnitride.

Ongeacht of de gebruikte technologie een ladingsval of een zwevende poort is, de gegevens die van een willekeurig hostsysteem naar de NAND-flash worden verzonden, moeten worden beheerd door een flash-geheugencontroller. Daarom is een zeer betrouwbare controller een integraal onderdeel van een performant systeem. 3D-architectuur heeft de weg vrijgemaakt voor flitsen met hoge dichtheid, maar opslagtoepassingen op basis van deze technologie hebben nu een toenemende vraag naar hogere niveaus van betrouwbaarheid en gegevensretentie die alleen mogelijk zijn met een hoogwaardige controller. Uiteindelijk is de keuze voor een flashgeheugencontroller de sleutel tot meer uithoudingsvermogen en een langere levensduur.

De huidige 3D-architectuur gebruikt maar liefst 176 lagen. Hoewel er op dit moment geen strikte fysieke limiet lijkt te zijn aan het aantal lagen, kan het nodig zijn om veel verder te gaan dan het combineren van verschillende ontwikkelingsmethoden om 3D-mallen op elkaar te stapelen. Ontwikkelingen in 3D-architectuur in de afgelopen tien jaar hebben flashdrives met hoge capaciteit op wereldwijde schaal bereikbaarder gemaakt. Hoewel deze technologie veel voordelen heeft opgeleverd op het gebied van prestaties, levensduur en het vermogen om cellen met een hogere dichtheid (TLC, QLC) betrouwbaarder te maken, is ze ook gekoppeld aan complexe en ongelooflijk dure productieprocessen.

Flitscontrollers

De controller biedt de interface tussen de host en de NAND-flash met behulp van standaardinterfaces, maar zonder de kosten en ruimte die nodig zijn voor fysieke connectoren. De Hyperstone U9-familie van flash-geheugencontrollers, samen met de meegeleverde firmware, biedt een gebruiksvriendelijke kant-en-klare oplossing voor industriële, duurzame en robuuste flash-geheugendrives of modules die compatibel zijn met hostsystemen met USB 3.1 SuperSpeed ​​5 Gbps-interface. De functionaliteit voor foutcorrectie in Hyperstone-geheugencontrollers beschikt over een eigen technologie genaamd FlashXE (eXtended Endurance).

FlashXE implementeert foutcorrectie op basis van Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)-codes, en de controllers hebben ook een extra foutcorrectiemodule die gebruikmaakt van gegeneraliseerde aaneengeschakelde codes (GCC) die state-of-the-art foutcorrectie biedt vergelijkbaar met LDPC (Low Density pariteitscode). Wanneer de solid-state drive met discrete componenten direct op een host-PCB wordt geïmplementeerd, staat deze benadering bekend als Disk on Board (DoB). Een DoB-benadering is ideaal voor diep ingebedde opslag. Het heeft ook veel voordelen die het aantrekkelijk maken in andere gebruiksscenario's. Het gebruik van discrete componenten in plaats van een afgewerkt product verlaagt de totale kosten en geeft de fabrikant totale controle over de stuklijst (BoM).

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times Europe.