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NAND-Flash-Architekturen - Was kommt nach 2D-SLC-NAND?

Derzeit ist 2D-SLC-NAND noch unangefochtener Platzhirsch für wechselbare Speichermedien. Doch in Kürze wird die 43-nm-Generation abgekündigt; kleinere Strukturen mit 24 nm werden mittelfristig das gleiche Schicksal ereilen. Entwickler sollten sich also schon jetzt mit möglichen Alternativen befassen.

Mit 100.000 Schreib- und Löschzyklen, extrem schnellen Zugriffszeiten, geringen Latenzen, Energieeffizienz, Robustheit sowie Verfügbarkeit kleiner Kapazitäten (z.B. micro-SD mit 128 MB) und mehreren Formfaktoren ist 2D-SLC-NAND derzeit noch unangefochten die Technologie für wechselbare Speichermedien in Industrieapplikationen. Doch in Kürze wird die 43-nm-Generation abgekündigt, und auch kleinere Strukturen werden mittelfristig verschwinden. Da eine Neuqualifizierung Monate, wenn nicht Jahre dauern kann, sollten sich Entwickler jetzt damit befassen, auf welche Speichertechnologie sie künftig setzen.

Seit der Einführung von NAND-Flash 1987 richtete sich der Fokus bei Weiterentwicklungen auf Kostensenkung durch Strukturverkleinerung. Um den Bedarf nach stets wachsenden Datenmengen abzudecken - bis 2025 sollen 175 ZB an Daten generiert werden - und gleichzeitig die Kosten zu senken, gingen die Innovationen in Richtung dreidimensionales NAND (3D-NAND) sowie die Erhöhung der Anzahl der Bits auf einer Zelle von SLC (Single Level Cell) mit einem bit pro Zelle über MLC (Multi Level Cell) mit zwei und TLC (Triple Level Cell) mit drei bit pro Zelle bis zu QLC (Quad Level Cell) mit vier bit pro Zelle (Bild 1). Die vertikale Schichtung von NAND-Zellen erhöht die Speicherdichte und damit die Speicherkapazität. Damit einher gehen jedoch eine geringere Zuverlässigkeit und weniger Schreib- und Löschzyklen.

Hauptmärkte Consumer und Data Center

Der Flash-Markt wird maßgeblich vom Consumer- und Data-Center-Markt getrieben; rund 80 % des Absatzes entfallen darauf. Dass hier die Kapazität im Vordergrund steht und nicht - wie bei Industrieapplikationen - die Zuverlässigkeit und Lebensdauer, spiegelt sich in den Produktionszahlen: Inzwischen sind ungefähr 80-90 % der hergestellten NAND-Flash-Speicher 3D-Typen. Den Roadmaps der Hersteller zufolge erhöht sich die Anzahl der Schichten mit jeder neuen Generation. Das ermöglicht wiederum noch größere Kapazitäten pro NAND-Chip. Die Kunden profitieren von spürbar geringeren Kosten, allerdings zulasten der Qualität. Doch es gibt auch Modelle, die dieselbe Haltbarkeit bieten wie 2D-NAND.

Für eine lange Lebensdauer von 3D-TLC-NAND-Speichern sorgt die Charge-Trap-Technologie in Kombination mit intelligenteren Controllern, ECC- (Error Correcting Code) und LDPC- (Low Density Parity Check Code) Verfahren. Ein direkter Vergleich ihrer Lebensdauer mit der von aktuellen 2D-SLC-NANDs lässt sich jedoch nur schwer ziehen. Hersteller machen ganz unterschiedliche Angaben zu Endurance, Drive Writes per Day (DWPD) und Data Retention. Die Anbieter Intel und Kioxia geben die maximale Anzahl von Schreib- und Löschzyklen für ihre 3D-TLC-NAND-Modelle mit 300 bis 3000 an. Zum Vergleich: Auch ein 2D-MLC-NAND-Speicher in 15-nm-Technologie kommt auf maximal 3000 Schreib- und Löschzyklen.

Ist 3D-NAND industrietauglich?

Für den Einsatz von NAND-Flash in Industrieapplikationen sind jedoch noch weitere Kriterien ausschlaggebend. Dazu gehören unter anderem die Langzeitverfügbarkeit, das PCN Handling, eine fixierte Bill of Material (BoM) sowie eine hohe Endurance, Data Retention, Temperaturbeständigkeit etc. Einige von ihnen können die Flash-Hersteller garantieren, etwa das PCN Handling und eine fixierte BoM - und inzwischen auch die Funktionalität im erweiterten Temperaturbereich.

Ganze fünf Jahre hat es von der Einführung von 3D-NAND-Flash bis zur Massenproduktion der ersten Modelle mit einer Temperaturbeständigkeit, wie sie in Industrieanwendungen häufig gefordert ist, gedauert. Die unterschiedlichen Zellgrößen und dementsprechend unterschiedlichen Ladungszustände im oberen und unteren Teil des Dies sorgen für Ungleichmäßigkeiten beim Erkennen der einzelnen Bit-Zustände. Äußere Temperaturzustände erschweren das noch.

Bei Kioxia ist der erweiterte Temperaturbereich aktuell für den BiCS3-Speicher mit 64 Layern freigegeben. Die neue Generation von Kioxia, der BiCS4 mit 96 Layern, ist noch nicht für den erweiterten Temperaturbereich qualifiziert. Das kann auch bedeuten, dass nicht jede Generation an 3D-NAND-Flash für Industrieanwendungen freigegeben wird.

Kleinere Kapazitäten unter 8 GB lassen sich mit der 3D-TLC-NAND-Technologie - zumindest mit den heutigen technologischen Möglichkeiten - nicht realisieren. Denn die 3D-TLC-Speicherchips werden mit einer Kapazität von 32 GB pro Die hergestellt, d.h. als kleinste Kapazität sind 32 GB verfügbar. Kunden, die Kapazitäten von unter 4 GB benötigen, haben bei der Anschaffung auch weiterhin einen preislichen Vorteil, wenn sie 2D-SLC-NAND-Produkte nutzen. Denn hier wird eine kleinere Grundkapazität quasi vom Die finanziert.

Inzwischen gibt es jedoch auch Lösungen für Unternehmen, die kleinere Kapazitäten im kompakten Formfaktor benötigen, z.B. für Anwendungen mit Grafikschnittstelle in Verbindung mit einem Display. Durch integrierte Intelligenz in Form von Features, die in der Firmware und dem eingebauten Controller stecken, lassen sich auch kleine Kapazitäten realisieren. So bietet zum Beispiel Swissbit den S-46u-8GB-3D-pSLC mit 3D-NAND-TLC und bis zu 30.000 garantierten Schreib- und Löschzyklen.

Optimierte Firmware und Controller

Einen weiteren Hinweis darauf, dass 3D-TLC-NAND gekoppelt mit immer besseren Firmware- und Controller Features in Zukunft auch für Industrieanwendungen infrage kommt, liefert die 452K-Serie von Transcend. Die TS128GSSD452K im 2,5"-Formfaktor und mit SATA-3-Schnittstelle ist mit dem BiCS4-3D-TLC-NAND bestückt. Laut Herstellerangaben und den durchgeführten Tests soll die SSD 100.000 Schreib- und Löschzyklen überstehen. Dafür sorgen der Betrieb des 3D-TLC-NAND im SLC-Modus und massives Overprovisioning, bei dem ein Bereich des Speichers nicht zur Datenspeicherung zur Verfügung steht, sondern für das Datenmanagement reserviert ist.

Fazit

Auch wenn bis zur endgültigen Abkündigung von 2D-SLC-NAND noch einige Jahre vergehen und mit der End-of-Life Notification eine Last-Time-Buy-Bevorratung möglich ist, sind im Hinblick auf den langwierigen Design-in-Prozess frühzeitige Tests von 3D-NAND-Produkten zu empfehlen.

Mit den aktuell zu beobachtenden Entwicklungen und Innovationen seitens der NAND-Flash- und Controller-Hersteller sind Speicherprodukte, die annähernd an die Qualität von 2D-SLC-NAND herankommen, zu erwarten. Ob die Langzeitverfügbarkeit gewährleistet und 100.000 Schreib- und Löschzyklen möglich sein werden, bleibt abzuwarten.

Als Partner von Swissbit, Apacer, Intel, Kioxia, Transcend und Wilk steht Rutronik in engem Kontakt mit führenden Herstellern von NAND-Speichermedien. So finden Entwickler und Einkäufer bei der Auswahl der geeigneten Speichertechnologie umfassende Unterstützung und Beratung durch das Rutronik-Storage-Team.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Figure 1: The distribution of charges in SLC, MLC, TLC and QLC NAND flash memory shows why reliability and program/erase counts suffer – unless there are correction mechanisms and better controller and firmware features to counteract this.
Bild 1: Die Ladungsverteilung bei SLC-, MLC-, TLC- und QLC-NAND-Flash-Speichern zeigt, warum die Zuverlässigkeit und die Anzahl an Schreib- und Löschzyklen abnimmt – zumindest ohne Korrekturmechanismen und bessere Controller- und Firmware-Features.