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.

Annons

20
Leave a Reply

Please Login to comment
20 Comment threads
0 Thread replies
0 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
14 Comment authors
-Tjalve-JuicyTimsPfftTims Recent comment authors
  Subscribe  
senaste äldsta flest röster
Notifiera vid
Medlem
Jonas Ranebring

Hej,

Intressant läsning.
Misstänker ni strulat till det lite med sorteringen på pris tabellen(Sidan 4 Samsung 850 Pro)

-Tjalve-
Gäst
-Tjalve-

[quote name=”JonasR”]Hej,

Intressant läsning.
Misstänker ni strulat till det lite med sorteringen på pris tabellen(Sidan 4 Samsung 850 Pro)[/quote]

Helt rätt, tack för det. jag har fixat till så att det står rätt nu.
Jag fick priserna precis nu så jag har uppdaterat artikeln.
Jag ska på en presskonferans om V-nand och 850 Pro här nu om 30min så är det någon som undrar något så kan jag nog föra frågan vidare om jag inte kan svara själv.

TriDave
Gäst

Jag tycker det är lite revolutionerande med 10 års garanti!!

Anton Karmehed
Admin

Ja Samsung verkligen totaldominerar på SSD-marknaden just nu, lite synd bara att SATAIII redan blivit en sån kraftig flaskhals.. 🙁 Ser fram emot att se lite motsvarande SATA Express resp. M.2 enheter! 🙂

Seki
Gäst
Seki

”Rent teoretiskt så borde 1TB-modellen kunna skriva 10 gånger så mycket som 1TB enheten”.

Hmm 😉

Henrik Berntsson
Admin

[quote name=”Seki”]”Rent teoretiskt så borde 1TB-modellen kunna skriva 10 gånger så mycket som 1TB enheten”.

Hmm ;-)[/quote]

Det ska vara löst nu 🙂

Medlem
Arne Berg

GÄSP GÄSP när kommer deras M.2 kort & deras PCI-E varianter
NVM varianter för den delen också.
SATA Express är oanvändbart pga. dess kontakter, lika breda & utrymmeskrävande som gamla IDE Kablar
(Bra artikel)

flopper
Medlem
flopper

köper storlek idag inte den som test vinner.
ssd gör ju ingen skillnad med byte idag.
rent ut sagt de är för bra.

Tims
Gäst
Tims

Jag undrar varför inte Intel 730, 480GB är med i jämförelsen.

-Tjalve-
Gäst
-Tjalve-

[quote name=”Tims”]Jag undrar varför inte Intel 730, 480GB är med i jämförelsen.[/quote]
Den är inte med av den enkla anledningen att vi inte testat den. Intel hade bara 240GB modellen tillgänglig för oss. Om det är av intresse så kan jag försöka få tag i ett testexemplar av Intel 730 480GB? Dock är det fortfarande några andra som ligger före i kön (räkna med fler ssd test de närmaste veckorna).

Tims
Gäst
Tims

[quote name=”-Tjalve-”][quote name=”Tims”]Jag undrar varför inte Intel 730, 480GB är med i jämförelsen.[/quote]Den är inte med av den enkla anledningen att vi inte testat den. Intel hade bara 240GB modellen tillgänglig för oss. Om det är av intresse så kan jag försöka få tag i ett testexemplar av Intel 730 480GB? Dock är det fortfarande några andra som ligger före i kön (räkna med fler ssd test de närmaste veckorna).[/quote] Aha, det är NI som gör testerna. Då förstår jag.Själv hade jag planerat tre Intel 730 480 GB i raid 0, men det blir, tack vare er, nu tre Samsung… Läs hela »

magi83
Gäst
magi83

Hej,
Varför tar ni inte upp hur enhet(en/erna) presterar i raid?
Finns ju jättemånga som väljer att köra raid-1 tex i sina datorer.
Fungerar deras mjukvara till både Windows/Mac/Linux tex? Och HUR bra fungerar de i de olika operativsystemen?

Mvh
Magnus

-Tjalve-
Gäst
-Tjalve-

[quote name=”magi83″]Hej,Varför tar ni inte upp hur enhet(en/erna) presterar i raid?Finns ju jättemånga som väljer att köra raid-1 tex i sina datorer.Fungerar deras mjukvara till både Windows/Mac/Linux tex? Och HUR bra fungerar de i de olika operativsystemen? MvhMagnus[/quote] Hej.Den absolut enklaste anledningen är att i de allra flesta fallen så behöver man inte använda RAID. RAID har många fördelar i stora lagringsystem men för den enskilda datorn så är fördelarna med RAID ganska små. Jag ska vara öärlig å säga att jag aldrig hört någon (de senaste 5 åren) som använder RAID1 utanför serverrummet. Jag kan givetvis ha haft oturen… Läs hela »

paiosfh0p
Gäst
paiosfh0p

😐 :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* 😐 :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* 😐 :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* 😐 :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* ::-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* :-* 😐 :-* :-*… Läs hela »

Tims
Gäst
Tims

När kommer denna till butik i Sverige? Läste någonstans den skulle finnas i butik runt den 23:e juli 2014, men ingen har den varken på lager eller tillgänglig att beställa från leverantör.

Pfft
Gäst
Pfft

På vilket sätt er denna disk bättre än OCZ Vector 150?
Prestandan störtdyker ju utan TRIM.
Det viktigaste på en SSD är den kontinuerliga prestandan när den körs på ett operativsystem utan stöd för TRIM.

Tage Methere
Medlem
Tage Methere

[quote name=”Pfft”]På vilket sätt er denna disk bättre än OCZ Vector 150?
Prestandan störtdyker ju utan TRIM.
Det viktigaste på en SSD är den kontinuerliga prestandan när den körs på ett operativsystem utan stöd för TRIM.[/quote]

Denna har sidan bara testat i Windows av senare snitt, vilken har ett native-stöd för trim. Om man skall köra i annat operativ, då får man leta efter tester som avhandlar dessa antar jag.

-Tjalve-
Gäst
-Tjalve-

[quote name=”Pfft”]På vilket sätt er denna disk bättre än OCZ Vector 150?Prestandan störtdyker ju utan TRIM.Det viktigaste på en SSD är den kontinuerliga prestandan när den körs på ett operativsystem utan stöd för TRIM.[/quote] Den är bättre än OCZ Vector 150 på i princip allt. Skillnaden är att OCZ Vector 150 har aktiv garbage collection, medans samsung använder passiv. Skillnaden är att Samsungs GC drar igång när enheten ligger i vila (det gör den i princip hela tiden). Vector 150 kör istället GC aktivt när ny data skrivs. Fördelen med aktiv är att om man skriver data hela tiden som… Läs hela »

Juicy
Gäst
Juicy

Mycket intressant läsning. Ni lyckades verkligen få med alla de viktiga delarna vad det gäller själva genomgången av både tekniken, mjukvaran och hårdvaran. Som vanligt är NordicHardware en av de bästa oberoende sajter man kan gå till för att få professionell testning med samtidigt en lättförståelig text! Tackar och bockar 🙂

-Tjalve-
Gäst
-Tjalve-

[quote name=”Juicy”]Mycket intressant läsning. Ni lyckades verkligen få med alla de viktiga delarna vad det gäller själva genomgången av både tekniken, mjukvaran och hårdvaran. Som vanligt är NordicHardware en av de bästa oberoende sajter man kan gå till för att få professionell testning med samtidigt en lättförståelig text! Tackar och bockar :)[/quote]
Det tackar vi för 🙂 Kul att det uippskattas.
Jag säger som Hegerfors: Det kommer mera!