Flash-Speicher aufgestockt 3D-Flash-Speicher geben Gas

The next Generation mit höheren Speichergebäude und mehr Kapazität.
The next Generation mit höheren Speichergebäude und mehr Kapazität.

Ende 2015 hatte Toshiba bereits einen 3D-Flash-Speicher mit 48 Lagen vorgestellt. Jetzt ist bald die nächste Generation marktreif. Dann wird das Speichergebäude noch weiter aufgestockt und die Kapazität nimmt entsprechend zu.

In unserer datenlastigen, hochvernetzten Welt sind kompakte, zuverlässige Flash-Speichermodule mit hoher Speicherkapazität nicht mehr wegzudenken. Speicher beeinflusst und verbessert mittlerweile unseren täglichen Lebensablauf. Seit Toshiba vor 30 Jahren den Flash-Speicher erfand, hat sich die Bit-Dichte durch andauernde, schrittweise Verbesserungen um mehr als das 2000-Fache erhöht. Die Speicherkapazitäten heutiger Flash-Module waren vor zehn Jahren noch unvorstellbar. Die Möglichkeit, Speicher¬elemente vertikal zu stapeln, läutet nun eine neue Ära in der schnellen Weiterentwicklung dieser Technik ein.

Mit dem rasanten Wachstum bei Mobilgeräten und dem Vertrauen unserer Gesellschaft in die Datenverarbeitung und -speicherung ist es nicht verwunderlich, dass der Speicherbedarf weiter ansteigt. Entsprechend dynamisch entwickelt sich der Markt. Um die Jahrhundertwende waren die optischen Speichermedien CD und DVD dominierend. Laut den Analysten von IDC repräsentieren heute Festplatten (HDDs, Hard Disk Drives) zwei Drittel aller Speichermedien in Bezug auf die installierte Datenkapazität.

IDC schätzt den Gesamtspeicher des digitalen Universums auf 16 ZB (Zettabyte – 1021 Byte) – oder 16.000.000.000 Terabyte (TB) Daten. Während HDDs den größten Anteil stellen, ist Flash-Speicher der am schnellsten wachsende Sektor am Speichermarkt. Flash stellt derzeit rund ein Zehntel des gesamten installierten Speichers dar. Dieser Wert wird rasch zunehmen, da der technologische Fortschritt sowohl die Speicherkapazität als auch die Zuverlässigkeit von SSDs (Solid-State Drives) erhöht.

Immer kleiner, immer effizienter

Seit seiner Einführung ist NAND-Flash zum nichtflüchtigen Speicher erster Wahl geworden. Erhebliche Anstrengungen und Investitionen werden getätigt, um immer kleinere Geometrien des zugrundeliegenden Halbleitermaterials zu erzielen. In den ersten 20 Jahren der NAND-Fertigung sorgte die lithografische Skalierung für immer dichtere Speicherchips. Die Prozessknoten verkleinerten sich von 350 nm auf 15 nm. Gleichzeitig wechselten die Hersteller während dieser Zeit auf größere Wafer und fanden andere Möglichkeiten, den Fertigungsprozess weiter zu automatisieren und effizienter zu gestalten.

Die immer kleineren Chip-Geome¬trien und höheren Speicherkapazitäten hatten Folgen, die nicht nur positiv waren. Die Haltbarkeit der Speicherzellen nahm mit kleinerer Geometrie immer weiter ab und die Controller – vor allem die ECC-Engines (Error Correction Code; Fehlerkorrektur-Code) – wurden immer komplexer. Die Controller behinderten oft sogar die Einführung neuer Technologien.

Da der Speicher immer dünner und flacher wurde, änderte sich der Innovationsfokus. Noch kleinere Geometrien in Richtung der physikalischen Grenzen waren nicht mehr das Hauptziel. Stattdessen konzentrierten sich die Neuerungen auf eine optimale Volumenausnutzung und nicht nur auf die Fläche – vor allem bei Chips mit hohen Speicherkapazitäten (über 128 Gbit). Damit begann das Zeitalter des 3D-NAND-Speichers.

Ein neuer, 48-lagiger 3D-Aufbau namens BiCS (Bit Column Stacked, Bild 1) wurde entwickelt, und erste Prototypen wurden im Jahr 2007 vorgestellt. Dies erwies sich als Quantensprung in Sachen Speicherdichte. Dotiertes polykristallines Silizium für planares NAND wurde durch eine Silizium-Nitrid-Schicht mit Ladungsfallen (Charge Trap Cells) ersetzt.

Damit ergaben sich weitaus größere Speicherkapazitäten auf gleicher Grundfläche. Zudem erhöhte sich die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. BiCS kann in Lithografie-Prozessen mit größeren Geometrien eingesetzt werden, kehrt also den Trend hin zu empfindlicheren Chips um und erhöht den Zellenabstand. Gleichzeitig verringern sich die Rausch- bzw. Störanteile zwischen den Zellen.

Die Schreib-/Löschzuverlässigkeit sowie die Belastbarkeit (Endurance) wurden damit wesentlich erhöht, genauso wie die Schreibgeschwindigkeiten. Ein 2D-NAND-Flash in 15-nm-Geometrie bietet sequenzielle Schreibgeschwindigkeiten von 20–30 MB/s. Der neueste 3D-BiCS-Prozess erzielt 30–40 MB/s. Dies entspricht einer Datenübertragungsrate von über 500 Mbit/s.

Die neue BiCS-Technologie sorgte also für Verbesserungen bei der Speicherdichte, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit. Erste Umsetzungen der Technik verwendeten aber immer noch herkömmliches Draht-Bonding, um die Zellen miteinander zu verbinden. Dies hinderte die Entwickler daran, die Geschwindigkeiten noch weiter zu erhöhen. Aus diesem Grund hat Toshiba mit der New Energy and Industrial Technology Development Organisation zusammengearbeitet, um die internen Chipverbindungen zu verbessern, um so eine höhere Geschwindigkeit und Effizienz zu erzielen. Diese Zusammenarbeit führte zum weltweit ersten 16-Die-Stacked-NAND-Flash-Speicher, der auf TSV-Technologie (Through Silicon Via) basiert, um die einzelnen Chips (Dies) in einem BiCS-Aufbau miteinander zu verbinden (Bild 2).

TSV ersetzt Draht-Bonding durch vertikale Elektroden und Vias, die durch die Silizium-Dies hindurchgehen und eine Verbindung schaffen. Damit verringert sich der Stromverbrauch und eine schnellere Datenübertragung ist möglich. Mit TSV lassen sich Geschwindigkeiten über 1 Gbit/s erzielen, was schneller als bei jedem anderem Low-Voltage-NAND-Speicher ist und etwa 50 % schneller als Original-BiCS-Speicher mit Draht-Bonding.