Samsung 850 Pro 512GB – Ny kung i svenska SSD-guiden!

Samsung V-NAND. 3D NAND-flash som bygger på höjden

Samsung är världens största tillverkare av nand-flash. Det gör att de kan tillverka väldigt stora volymer på kort tid och därmed kunna göra det mer konstadseffektivt än vad många andra kan. Det är också detta som gjort det möjligt för Samsung att använda tlc-nand i deras 840 Evo enheter. När man tillverkar nand-flash så blir vissa kretsar av bättre kvalité än andra. De bästa går till SSD-enheter och de sämre går till exempelvis minneskort och USB-stickor. Men när man tillverkar så mycket som Samsung gör så blir det också stora volymer som är tillräckligt bra för att användas i SSD-enheter.

Den stora nackdelen med tlc-nand är att trots att man använder de bästa chippen,så klarar de fortfarande inte mer än ungefär 1 500 skrivningar när de är tillverkade med 19 nanometersteknik. Samtidigt som motsvarande mlc-chip ligger på ungefär det dubbla. Problemet blir ännu större ju mindre tillverkningsteknik man använder och nu börjar vi närma oss gränsen för vad som faktiskt går att använda i en SSD-enhet. Hittills så har man lyckats hålla livslängden uppe med hjälp av smartare kontrollerkretsar och avancerad ECC (Error Correcting Code). Men för att SSD-enheter ska bli ännu billigare så måste man minska tillverkningstekniken ytterligare, vilket leder till ännu sämre livslängd. Generellt tror spelarna på nand-marknaden att man kommer kunna minska tillverkningstekniken en eller kanske två gånger till, sen går det helt enkelt inte längre. Samsungs lösning på problemet kallar företaget för v-nand eller Vertical NAND. V-nand är Samsungs variant av det som, i folkmun, kallas för 3d-nand. Principen är att istället för att minska transistorernas storlek ännu mer, så staplar man dem på höjden istället. För att förstå varför det är viktigt så måste vi först ta en liten lektion i hur transistorer och nand-flash fungerar.

Transistorer och nand-flash

En typisk transistor är en krets som har tre anslutningar. En ”in” (source), en ”ut” (drain) och sedan en av/på knapp (gate). Om du tänker dig en vattenkran så är source vattenledningen som vattnet kommer ifrån och drain är avloppet som vattnet rinner ut i. Kranen som vi måste slå på för att vattnet ska flöda, är det som kallas för gate. En transistor fungerar på samma sätt. När gate är avslagen (ingen spänning) så kan ingen elektricitet flyta mellan source och drain och transistorn har värdet 0. Om man däremot lägger en spänning på gate så kommer elektroner att forsa från source till drain och då registreras den som en etta. Problemet är att så fort strömmen försvinner (du stänger av datorn) så finns inte längre någon spänning på gate, och då registreras alla transistorer som 0. Därför kan man endast lagra data så länge datorn är strömsatt. Detta kallas för ett flyktigt minne och det absolut bästa exemplet på ett flyktigt minne är ram-minnet som sitter i din dator.

Floating Gate MOSFET används traditionellt när man gör NAND-Flash

Bilden ovan är en så kallad floating gate mosfet. Den fungerar lite annorlunda då den har ytterligare en grind som kallas för flytgrind, eller floating gate som är isolerad av ett oxidlager (oxide, på bilden). När transistorn är påslagen så flyter elektronerna som vanligt från source till drain, men en del attraheras av spänningen på gate och fastnar i flytgrinden med hjälp av en princip som kallas för fuowler-nordheim-tunnling. Flytgrinden är isolerad så de elektroner som har fastnat där, stannar där även när strömmen slås av och det är därför som den kan ”komma ihåg” den informationen som lagrats. Om man byter polaritet på spänningen så attraheras elektronerna av jord (Source) istället och kan ”dras tillbaka” samma väg som de kom ifrån. Det är så som man programerar och raderar en cell i ett flash-minne.

Så uppstår slitaget på nand-flash

Problemet är att när man ”trycker” elektroner genom oxidlagret (det mellan channel och floating gate i bilden) så skapas små defekter i det. Ju fler gånger man gör det, desto fler defekter blir det och tillslut så blir det kortslutning och all lagrad laddning försvinner. När cellen inte längre kan garantera att laddningen finns kvar, så är cellen trasig och kan inte användas mer. Ett annat problem som uppstår är att elektroner fastnar i själva oxidlagret. I början så är inte detta ett problem då det handlar om några enstaka elektroner. Men med tiden så kommer dessa elektroner att bygga upp en negativ laddning som gör att de spänningsnivåer som är satta för 1 resp. 0, inte lägre stämmer. Då måste cellen programmeras om med en annan spänning och detta sliter ut oxidlagret ännu mer och tillslut så fungerar inte det heller och det är så som cellens ”liv” är slut. Flytgrinds mosfets är den vanligaste typen av nand-flash men det finns ett nyare sätt göra det.

Istället för att lagra elektroner direkt i flytgrinden så lägger man in ett isolerande lager istället för en flytgrind. Eftersom detta lager inte är ledande så kommer man runt problemet med kortslutningar. Detta gör att oxidlagret kan göras tunnare och hela cellen kan därför göras mindre. Detta gör också att spänningen som krävs för att programmera cellen blir mindre, vilket i sin tur leder till bättre livslängd och bättre prestanda. Dock så kvarstår problemet med elektroner som fastnar i oxidlagret så alla problem blir inte lösta. Denna teknik kallas för charge trap flash och ses som ett bra steg i rätt riktning.

Samsungs v-nand tar CTF-tekniken till nästa nivå och istället för att bygga platta celler som man hittills gjort, så vänder man på hela kalaset och bygger på höjden istället. Cellen har ett cylinderformat utseende, där channel sitter i mitten, oxidlagret runt den och sedan kontrollgrinden runt omkring oxidlagret. Fördelen med denna lösning är att den fysiska ytan som finns tillgänglig för att hålla elektronerna är betydligt större. Detta i sin tur gör att det går fortare att programmera cellen, men framförallt så ökar det antalet skrivningar som kan göras innan cellen dör. Men det som är det riktigt finurliga med den här designen är att man kan bygga flera lager med den här typen av celler – ovanpå varandra. I praktiken innebär det att man kan gå tillbaka till en större tillverkningsteknik men samtidigt få in mer kapacitet på samma fysiska yta.

V-nand klarar sig med större transistorer

Första generationen v-nand tillverkades med 40 nanometersteknik och hade 24 lager staplade ovanpå varandra. Man beräknade också att dessa celler ska klara ungefär 35 000 skrivningar per cell. En nand-enhet var då på 128Gbit vilken är detsamma som 16 gigabyte per nand-enhet. Detta är också den vanligaste kapaciteten som vi ser hos dagens senaste 2d-nand och dessa är tillverkade med 16-20 nanometersteknik.

Samsung 850 Pro är den första konsument-SSD-enheten som använder den här nya typen av nand-flash och det handlar om andra generationens V-nand. Enligt Samsung så ska denna generation ha hela 32 lager staplade på varandra. Förutom det så vet vi inte så mycket om den nya generationen men troligtvis så är den fortfarande tillverkad på 40 nanometer eftersom det verkar vara svårt att minska tillverkningstekniken för V-nand. Samsung har tidigare sagt att man kommer att fortsätta att tillverka V-nand på 40 nanometer i flera generationer till och istället öka kapaciteten genom att bygga fler lagar ovanpå varandra. Det vi vet är att Samsung lovar mer än dubbelt så lång livslängd, bättre prestanda och 20 procent lägre strömförbrukning med hjälp av andra generationens V-nand jämfört med vanligt platt nand-flash.