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Lange lebe SLC NAND Speicher!

Lange lebe SLC NAND Speicher!
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NAND Flash – immer höhere Speicherkapazitäten durch Miniaturisierung und 3D! Mehr Speicher für weniger Geld? So einfach ist es nicht. Was SLC NAND Speicher kann und wann der Einsatz für Neuprojekte sinnvoll ist. Mit SUPPLYplus die SLC Versorgung bis Ende 2027 sichern. Ist SLC die clevere erste Wahl?

Die Entwicklungen im NAND Flash Bereich waren in den letzten Jahren rasant. Nicht nur die Miniaturisierung der Zellstrukturen hat den Speicher zu immer höheren Kapazitäten geführt. Es wurde zusätzlich eine komplett neue Architektur des Speicheraufbaus mit 3D NAND eingeführt, welche die bestehende Kapazitätsbegrenzung der Miniaturisierung überwinden konnte.

Mehr Speicher für weniger Geld! Super?
Ganz so einfach ist es nicht.

Die technischen Weiterentwicklungen des NAND Flash haben die physischen Eigenschaften der Speicherzellen schrittweise verschlechtert.

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Im Detail:

Um Daten in einer NAND Flashzelle zu speichern, werden Elektronen in ein Floating Gate geladen. Anhand dieser Ladung misst der Controller, welche Bit-Information gespeichert ist (siehe Bild 1).

Elektronen werden in ein Floating Gate geladen. Anhand dieser Ladung misst der Controller, welche Bit-Information gespeichert ist
Bild 1: Elektronen werden in ein Floating Gate geladen. Anhand dieser Ladung misst der Controller, welche Bit-Information gespeichert ist.
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In den unterschiedlichen Technologien differenziert man dahingehend, wie viele Bits pro Zelle gespeichert werden können. Bei der herkömmlichen Single-Level Cell (SLC) wird nur 1-bit pro Speicherzelle gespeichert. Somit muss der NAND Controller nur messen, ob Ladung an der Zelle anliegt (0) oder nicht (1). Bei den Weiterentwicklungen; der Multi-Level Cell (2-bit), Triple-Level Cell (3-bit) oder gar Quadruple-Level Cell (4-bit), muss der Controller genauestens differenzieren, wie viel Ladung bzw. wie viele Elektronen in der Zelle aktuell geladen sind, um die richtige Bit-Information zu bekommen (siehe Bild 2). Dieses Interpretieren von Ladungszuständen macht Technologien mit mehreren Bits pro Zelle wesentlich anfälliger für Bit-Fehler und das Laden muss in mehreren Schüben erfolgen.

Bild 2: Bei den Weiterentwicklungen muss der Controller genauestens differenzieren, wieviel Ladung bzw. wie viele Elektronen in der Zelle aktuell geladen sind, um die richtige Bit-Information zu bekommen.
Bild 2: Bei den Weiterentwicklungen muss der Controller genauestens differenzieren, wieviel Ladung bzw. wie viele Elektronen in der Zelle aktuell geladen sind, um die richtige Bit-Information zu bekommen.
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Des Weiteren wurden die Zellen über die Jahre fortlaufend verkleinert, um eine immer größere Anzahl an Speicherzellen in ein Waferpackage zu bekommen. Somit konnte eine höhere Kapazität bei gleichem Siliziumeinsatz erzielt werden.

Diese Miniaturisierung hat jedoch zur Folge, dass die Zellen dünnere Isolierschichten und weniger Elektronen zum Laden zur Verfügung haben (siehe Bild 3). Somit wurde durch jeden Shrink die physische Haltbarkeit geringer und die Komplexität für die Controller höher.

Bild 3: Die Zellen haben dünnere Isolierschichten und weniger Elektronen zum Laden zur Verfügung.
Bild 3: Die Zellen haben dünnere Isolierschichten und weniger Elektronen zum Laden zur Verfügung.
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Aufgrund des Ausreizens dieser Zellverkleinerungen (Shrinks) waren Hersteller gezwungen, die Zellen vertikal zu stapeln, um noch höhere Speicherdichten zu erreichen. Bei dieser Umstellung auf 3D NAND wurde zwar das Substrat (Charge Trap) geändert, sodass die Haltbarkeit zumindest teilweise der planaren MLC Technologie entspricht (3.000 Schreib-, Löschzyklen). Das vertikale Stapeln der Zellen und das Durchprogrammieren durch Schichten, derzeit bis zu 176 Layer, führen jedoch zu weiteren physischen Schwierigkeiten.

SLC in Anwendungen noch lange nicht abgeschrieben

Viele Schwachstellen dieser neuen Technologien können durch stark verbesserte ECC und weitere Controller Algorithmen (Read Disturb, Auto Refresh Modes etc.) zwar ausgebessert werden, bei Robustheit (bis zu 100.000 Schreib-, Löschzyklen), Störanfälligkeit und Performance bleibt die SLC Zelle in der High-End Industrie jedoch das Maß der Dinge.

Aufgrund dieser robusten Eigenschaften sind SLC NAND Speicher in einer Vielzahl an Industrieanwendungen, wie Internet of Things (IoT), Automobil, und Embedded Anwendungen, die eine lange Lebensdauer und/oder hohe Zuverlässigkeit erfordern, gefragt.

Trotz höherer Kosten pro GB, durch das entspanntere Programmieren von nur einem Bit-pro-Zelle, bietet SLC speziell bei Boot-Anwendungen mit kleinerem Kapazitätsbedarf bis zu 4GB und/oder beim Speichern von kleinen- bis mittleren Codes z.B. Logfiles immer noch ein perfektes Kosten/-Leistungsverhältnis.

SLC Speicher bis mindestens Ende 2027!

Diesen sensiblen und auf Ausfallsicherheit bezogenen Markt versorgt die Fa. altec ComputerSysteme GmbH seit 30 Jahren. Mit den Produkten ihres Herstellers Cactus Technology trifft exzellente Qualität und eine nachhaltige Sortimentspolitik den hohen Anspruch dieses Marktsegments.

Während andere Marktteilnehmer SLC zunehmend aus dem Blick verlieren und einige Speicher, wie z.B. 43nm, gar abgekündigt wurden, sichern die altec CS und Cactus die Langzeitverfügbarkeit des bestehenden SLC Portfolios, basierend auf den Mainstream ICs von Kioxia (ehemals Toshiba), zu.

Für alle Kioxia 24nm und 32nm SLC basierten Speicherprodukte bedeutet dies eine Langzeitverfügbarkeit bis Ende 2025. Mit dem Logistikkonzept „SUPPLYplus“ kann die altec CS die Verfügbarkeit um bis zu 24 weitere Monate verlängern. Somit kann selbst Neuprojekten eine Langzeitverfügbarkeit von 6 Jahren zugesichert werden. Eine mögliche Verlängerung der Produktion seitens Kioxia würde diesen Zeitraum nochmals erweitern.

Zudem hat Cactus weitere Produktserien auf Basis neuer NAND Controller angekündigt und verstärkt somit den Fokus auf Industriesegmente, in denen Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit alternativlos sind. Die strikte Fixed Bill of Material, inkl. Firmware-Revision, und eine Abkündigungsphilosophie mit Last Time Buy Option stellen eine Selbstverständlichkeit für alle Cactus Produkte dar.

Cactus SLC series
Cactus SLC series
© altec

Als Speicherspezialist bietet die altec CS, neben Produkten von Cactus Technology, alle gängigen Technologien von planar SLC bis 3D NAND. Die applikationsabhängige Speicherabnutzung wird durch das „FLASHPROFILING“ evidenz-basiert ermittelt. Durch dieses besondere Wissen versetzt altec CS Ihre Kunden in die Lage, präzise zu ermitteln, welcher NAND/Controller Mix in der jeweiligen Anwendung tatsächlich benötigt wird. altec CS spart somit teures Over-Engineering, kann Qualifizierungsprozesse deutlich eingrenzen und schützt vor Ausfallrisiken.

Um diese Vorteile nachzuvollziehen, bietet die altec CS ihren Geschäftspartnern eine technische und strategische Produktberatung und diverse Workshops, die NAND Flash Aufbau, Funktion und NAND Controller Funktionsweisen einfach verständlich machen. Die Spezialisierung der altec CS führt final zu einem Wissensvorsprung des Geschäftspartners, der in einem anspruchsvollen Produktumfeld den Unterschied macht.