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Was ist der Unterschied zwischen 2D NAND, 3D NAND und 3D XPoint Flash Speicher?

Erstellt von Patrick Twele, Product Sales Manager Storage, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH |

Flash Speicher haben andere Speichertechnologien in fast allen Marktsegmenten verdrängt. Ihr Erfolg beruht auf sinkenden Kosten durch Strukturverkleinerung, mehr speicherbaren Informationen pro Zelle durch verschiedene Spannungslevel (MLC und TLC Flash Speicher) und neuen Software-Features.

Was die Strukturverkleinerungen betrifft, ist mit den heutigen nm-Strukturen eine physikalische Grenze erreicht: Es entstehen mehr Fehler beim Auslesen der Daten, Endurance und Data Retention der Flash Speicher nehmen ab. Die Lösung: 3D NAND.

Ein 3D NAND Flash Speicher kann man sich nicht einfach als aufeinandergestapeltes, planares (2D) NAND Gitter vorstellen. Es gibt aktuell zwei 3D NAND Flash Technologien auf dem Markt:

IM Flash (ein Venture aus Intel und Micron) verwendet ein Floating Gate zur Speicherung der Elektronen, also dasselbe Prinzip wie beim planaren NAND Flash. Das Floating Gate speichert die Ladungen auf einem elektrisch isolierten Gate zwischen dem Kanal und dem Kontroll-Gate. Bisher vorgestellte 3D NAND Flash Speicher mit Floating Gate verwenden die von planaren Speichern bekannten TLC und MLC Speichertechnologien, erzielen jedoch eine höhere Endurance.

Alle anderen Hersteller setzen auf einen Charge Trapping Speicher. Hier werden die Ladungen an Haftstellen (engl. trapping center) gehalten. Die Haftstellen bestehen aus einer Schicht aus Siliciumnitrid, die vom Kanal durch eine dünne Tunneloxidschicht getrennt ist.

Die Frage, welcher Speicher besser ist für den industriellen Einsatz, lässt sich erst beantworten, wenn 3D NAND Flash Speicherprodukte auf dem Markt sind. Was auf jeden Fall eine Rolle spielt, ist der Write-Amplification-Factor (WAF).

Was ist der WAF? Er gibt das Verhältnis von der zu schreibenden Dateigröße zur tatsächlich auf den Speicher geschriebenen Dateimenge an. Dabei kommt es auch auf die interne Blockgröße der Flash Speicherchips an. Planare Speicherchips werden mit 4MB bis 8MB großen Blöcken hergestellt. IM Flash gibt für seine 32-Layer-Serie 16MB bei MLC Produkten und 28MB bei TLC Produkten an. Wenn diese in einer Anwendung zum Einsatz kommen, die regelmäßig kleine Dateigrößen schreibt, führt das zu unnötigem Verschleiß und einem verfrühten Ausfall des Speichers. In diesem Anwendungsfall gilt: Je größer die einzelnen Blöcke, desto schlechter der WAF. Abhilfe schafft hier beispielsweise ein DRAM Cache.

Das heißt: 3D NAND Flash Speicher werden die 2D Varianten in nächster Zeit nicht vollständig ablösen, zumal es noch keinen 3D Flash Speicher gibt, der eine ausreichende Temperaturbeständigkeit hat, wie sie in der Industrie oft benötigt wird.

Zudem ist der 3D NAND Flash Speicher von IM Flash mit 32 Layern erst ab einer Kapazität von 32GB (MLC) bzw. 48GB (TLC) verfügbar. Viele Industrie-Anwendungen erfordern jedoch gar keine so hohen Kapazitäten. Das macht den Umstieg auf 3D NAND noch zu teuer.

Fazit: 3D NAND Flash Speicher sind nicht einfach als Nachfolgelösung der planaren NAND Flash Speicher zu sehen. Um zu beurteilen, ob ein 2D oder 3D NAND Flash Speicher besser ist, braucht es eine genaue Kenntnis der individuellen Anwendung und des Speichers.

Eine neue Art von Speicher: 3D XPoint von IM Flash

Neben dem "normalen" 3D NAND haben IM Flash 3D XPoint entwickelt. Hier werden die Speicherzellen auf die Kreuzungen des 3D Gitters platziert - deshalb die Bezeichnung 3D XPoint (Crosspoint). Vorteile dieser Speicherarchitektur:

  • Speicherzellen sind individuell adressierbar.
  • Dadurch ist schnelleres Lesen und Schreiben bei hohen Kapazitäten möglich.
  • Im Vergleich zu DRAM sind acht- bis zehnfach höhere Speicherdichten bei niedrigeren Kosten realisierbar.

Der Unterschied zu 2D NAND Flash Speichern besteht - neben der dreidimensionalen Speicherstruktur - darin, dass 3D XPoint Speicher auf Transistoren verzichten.

Vorteile von DRAM und Flash in einem Speicher

Das Revolutionäre an 3D XPoint: Aufgrund seiner Werte lässt es sich weder als Flash Speicher noch als DRAM im eigentlichen Sinne einstufen.

Ein DRAM Speicher schreibt und liest Daten mit sehr hohen Geschwindigkeiten, bei abgeschalteter Spannung gehen die Daten verloren.

Ein Flash Speicher kann Daten im Vergleich zum DRAM nur sehr langsam verarbeiten, dafür kann er sie auch ohne Spannung erhalten.

3D XPoint von IM Flash vereint die Vorteile von DRAM und Flash Speichern: Informationen werden schnell verarbeitet und ohne anliegende Spannung erhalten.

Die Endurance ist sogar höher als beim bisherigen Spitzenreiter, dem planaren SLC NAND Flash Speicher. Weiteres Plus: Das PCIe 3.0 x2 Interface mit NVMe Protokoll des 3D XPoint Speichers ermöglicht schnelle Zugriffszeiten. Verpackt in einem M.2 Formfaktor mit dem Namen "Optane Memory" lässt sich der Speicher als Flash verwenden, der auch Aufgaben des Arbeitsspeichers übernehmen kann. Damit entsteht ein System, das sich der Nutzung des Anwenders anpasst.

Die im Intel Optane Memory enthaltene intelligente Software erlernt automatisch typische Muster bei der Computernutzung. So können die schnell benötigten Daten direkt von dem M.2 Modul bezogen werden. Häufig wiederkehrende Aufgaben beschleunigen sich, der individuelle Umgang mit dem Computer wird optimal unterstützt.

Ein Wermutstropfen sind die hohen Kosten pro GB: 3D XPoint ist etwa halb so teuer wie ein DRAM Speicher, aber fünfmal so teuer wie ein MLC NAND Flash Speicher. Zudem bringt auch der Intel Optane Memory keine hohe Temperaturbeständigkeit mit und er erfordert einen Intel Core Prozessor der siebten Generation.

Aktuell ist Intel Optane Memory bspw. in 16GB und 32GB verfügbar. Weitere Kapazitäten und Formfaktoren werden für die Zukunft erwartet.

Mehr Informationen zum Thema Speicherplatz und NAND-Technologie finden Sie auf unseren Herstellerthemenseiten von Intel and Transcend.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.