Neue Flash-Generation Schneller mehr speichern

3D-NAND, 3D XPoint - neue Flash-Generation

1989 wurde mit dem NAND-Flash-Speicher erstmals eine Technologie präsentiert, die in der Speicherwelt bis heute die Basis für alle gängigen Flash-Speicher ist. Um jedoch weiter wachsen zu können, benötigen die Hersteller höhere Kapazitäten bei geringeren Kosten.

Was die Strukturverkleinerungen betrifft, ist mit heutigen kleinsten nm-Strukturen eine physikalische Grenze erreicht, die auf Herstellerseite nur noch schwer zu handhaben ist: Die Häufigkeit von Fehlern beim Auslesen der Daten erhöht sich, gleichzeitig verringern sich Endurance und Data-Retention. Mit dieser Methode lässt sich also nichts mehr herausholen. Um jedoch weiter wachsen zu können, benötigen die Hersteller höhere Kapazitäten bei geringeren Kosten. Was also fehlt, ist eine völlig neue Technologie oder zumindest ein neuartiges Prinzip der ursprünglichen NAND-Idee.

3D-NAND als Ersatz für bisherige planare Flash-Speicher

Die Vorstellung, dass ein 3D-Speicher einfach aus aufeinandergestapelten, planaren NAND-Gittern besteht, lässt sich mit der Realität leider nur schwer vereinbaren. Hersteller wie Intel/Micron, Toshiba/SanDisk, Hynix und Samsung entwickeln Jahre bis zur eigentlichen Serienreife eines Flash-Chips. Das heutige Ergebnis dieser Investitionen sind zwei unterschiedliche, auf dem Markt befindliche Technologien. Intel/Micron verwendet für seine 3D-NAND-Chips ein Floating-Gate zur Speicherung der Elektronen, also dasselbe Prinzip wie bei bisherigem, planarem 2D-NAND. Alle anderen Hersteller setzen auf einen Charge-Trapping-Speicher, von Samsung 3D V-NAND genannt.

Das von Intel/Micron eingesetzte Floating-Gate speichert die Ladungen auf einem elektrisch isolierten Gate zwischen dem Kanal und dem Kontroll-Gate. Bei Charge-Trapping-Speicher werden die Ladungen an Haftstellen (engl. trapping center), einer Schicht aus Siliciumnitrid, die vom Kanal durch eine dünne Tunneloxidschicht getrennt ist, gehalten. Welche Vor- beziehungsweise Nachteile sich aus den unterschiedlichen Technologien für einen industriellen Einsatz ergeben, kann man erst abschätzen, sobald die Produkte auf dem Markt verfügbar sind. Das ist voraussichtlich frühestens im ersten Quartal 2018 der Fall.

Bisher vorgestellte 3D-NAND-Speicher mit Floating-Gate verwenden ebenfalls die bereits von planaren Speichern bekannten TLC- und MLC-Speichertechnologien. Im Gegensatz dazu werden hier jedoch bessere Endurance-Werte erreicht. Vermutlich werden Charge-Trapping-Speicher hier noch besser abschneiden, jedoch bleibt auch das noch abzuwarten.

Microns 3D-NAND mit 32 Layern verwendet die Floating-Gate-Technologie. Die kleinste angegebene Kapazität dieser Serie ist 32 GByte mit MLC und 48 GByte mit TLC. Für sehr viele Anwendungen im industriellen Umfeld werden Kapazitäten dieser Größe jedoch nicht benötigt – ein Umstieg auf diese Technologie ist teuer und daher wenig lohnenswert.

Ein weiterer Faktor bei der Betrachtung dieser Speicher-Lösung rückt den Write-Amplification-Factor (WAF) in den Fokus. Dieser gibt das Verhältnis der zu schreibenden Dateigröße und der tatsächlich auf den Speicher geschriebenen Dateimenge wieder. Eine wichtige Rolle bei einer solchen Berechnung spielt die interne Blockgröße der Flash-Chips. Planare Chips werden mit 4 bis 8 MByte großen Blöcken hergestellt. Micron gibt für seine 32-Layer-Serie 16 MByte bei MLC und 28 MByte für TLC-Produkte an. In Verbindung mit einer Anwendung, die regelmäßig kleine Dateigrößen schreibt, würde dies zu einem unnötigen Verschleiß und somit einem verfrühten Ausfall des Speichers führen. In diesem Anwendungsfall gilt: Je größer die einzelnen Blöcke, desto schlechter der WAF. Abhilfe kann hier beispielsweise ein DRAM-Cache bieten.

Durch diese Angaben wird ersichtlich, dass 2D-Lösungen in nächster Zeit wohl kaum völlig vom Markt verschwinden werden. Hinzu kommt, dass bisher noch kein Hersteller ein Produkt mit einer in der Industrie häufig notwendigen hohen Temperaturbeständigkeit der Speicher präsentiert hat – unter anderem, weil der vorab belieferte Konsumgütermarkt diese Eigenschaft nicht benötigt. Erst Ende 2017 sollen erste Produkte mit industrietauglichen Eigenschaften auf den Markt kommen.

3D-NAND also uneingeschränkt als Nachfolgelösung aller Einsatzzwecke der planaren Speicher zu sehen wäre ein Fehler. Auch in Zukunft wird eine genaue Kenntnis der Anwendung sowie des Speichers notwendig sein.