Intel/Micron 3D-NAND baserad på floating gate-teknik

3D-Nand baserad på floating gate-teknik

Den tillfälliga lösningen på problemet med mindre tillverkningstekniker kallar man för 3D-Nand. Istället för att ytterligare minska tillverkningstekniken så bygger man minneskretsar ovanpå varandra i olika lager. Eftersom man kan bygga på höjden så kan man göra varje minnescell större och det gör att livslängden och prestandan blir bättre. Samsung var först på marknaden och lanserade sin version av 3D-Nand (V-Nand) för ungefär två år sedan, i samband med lanseringen av 850 Pro. Då hade V-Nand 32 lager och varje Nand-enhet var på 86 gigabit (Gbit) MLC eller 128 Gbit TLC. Numera finns det även 128 Gbit MLC som används bland annat i 850 Pro 2TB.

Att gå över till 3D-Nand är inte billigt. Det krävs att man bygger om fabriker och att man gör omfattande investeringar för att få upp produktionen. Det gjorde att Samsungs V-Nand var dyrare att tillverka än exempelvis Micron 16 nm eller Toshibas 15 nm. Även om Micron, Toshiba och SK Hynix har haft tillgång till 3D-Nand under en längre tid, har man inte tillverkat några större volymer. Detta på grund av att deras platta tillverkningsteknik var billigare. Men nu har man nått en kritisk punkt där 3D-Nand är det enda alternativet och det gör att nästan alla tillverkare ger sig på 3D-Nand. Micron (som äger varumärket Crucial) har tillsammans med Intel nu beslutat att gå över nästan helt till 3D-Nand och nu är alltså Micron nummer två på marknaden med en 3D-Nand-baserad SSD.

Oxidlager vs flytgrind

IMFT:s 3D-Nand skiljer sig en hel del från det Samsung gjort och vad alla andra gör också för den delen. Traditionellt platt Nand använder sig av flyt-grindar med ett oxidlager. När man sedan lägger på en spänning så kan vissa elektroner gå igenom oxidlagret och fastna i flytgrinden. Mängden elektroner som fastnar bestämmer vilket värde cellen har (1 eller 0). När Samsung tillverkade sitt V-Nand valde man samtidigt att gå över till en annan teknik som kallas för Charge Trap Flash. Istället för att lagra elektroner direkt på flytgrinden lagrar man elektronerna i oxidlagret istället. Det finns diverse fördelar med detta och det har exmepelvis gjort att Samsungs V-Nand har betydligt bättre livslängd. Om du vill läsa mer om Samsungs V-Nand och hur flytgrindar fungerar, läs gärna vår artikel om Samsung 850 Pro.

IMFT däremot har valt att fortsätta använda Floating-Gate (flytgrind) även i sitt 3D-Nand. Man motiverar detta med att man har byggt flytgrinds-Nand under många år och man väljer att använda en teknik som man känner till väl. Det gör dock att IMFT:s 3D-Nand inte kommer ha ha riktigt lika bra livslängd som Samsungs V-Nand. I den första generationen (som vi tittar på idag) säger man att MLC ska klara 3 000 cykler. I TLC ska man klara 500 med BCH-ECC och ungefär 1 500 med LDPC-ECC. Samsungs V-Nand ligger på runt 6 000 i MLC och 2 000 i TLC (gissningsvis BCH). Intel och Micron tror dock att det kommer att bli lättare att stapla fler lager ovanpå varandra än om man använder CTF och man menar att man snart kommer kunna erbjuda M.2-enheter med upp till 10 terabyte lagringskapacitet.

IMFT:s första generation 3D-Nand har 32 lager och varje Nand-enhet är på hela 256 Gbit i MLC eller 384 Gbit i TLC. Detta är därmed de största Nand-enheterna som tillverkas i dagsläget (Samsung har 256 Gbit TLC). Varje minneschip använder hela fyra stycken “planes” (plan) och det gör att varje Nand-enhet kan utföra samma operation på 4 olika platser (en i varje plan) samtidigt. Konkurrerande minnen från exempelvis Samsung använder bara 2 planes. Det betyder att trots att Nand-enheten är på hela 256 Gbit MLC, kommer prestandan att vara nästan på samma nivå som 128 Gbit MLC. Anledningen till att man inte gjort Nand-enheter med fler plan tidigare, är för att varje plan kräver en hel del logik och detta tar upp värdefull kretsyta. Med sitt nya 3D-Nand har Micron löst det med något man kallas “CMOS under Array”. I praktiken betyder det att man lagt logiken i ett eget lager under själva minneskretsarna och på det sättet tar det inte lika mycket plats.

Sammanfattningsvis kan vi säga att IMFT:s nya 3D-Nand kommer möjliggöra betydligt mer kapacitet, i varje minneschip, än vad man haft tidigare och prestandan borde vara likvärdig (förhoppningsvis lite bättre) med tidigare minneskretsar från Micron.