Rutronik GmbH
Avtor: Daniel Zajcev
2019_277_28
Tehnologiji tristopenjskih sledi tehnologija štiristopenjskih celic: Kaj se pripravlja na področju razvoja Flash pomnilnikov 3D NAND.
Bliskovni pomnilniki 3D NAND so tik pred prebojem. Ta nova pomnilniška tehnologija je v zadnjih letih dosegla izreden napredek in ponuja zanimivo alternativo uveljavljenim bliskovnim pomnilnikom 2D NAND, ki se uporabljajo v pogonih SSD. Smer razvoja kažejo arhitekture pomnilnikov naslednje generacije, kot je QLC NAND.
Bliskovne pomnilnike 2D NAND odlikujejo izredno hiter dostop, majhne zakasnitve, energetska učinkovitost, robustnost in majhna velikost. Tehnični napredek je bil posvečen predvsem zmanjšanju stroškov z zmanjšanjem strukture. Pri 15 nanometrih pa so zdaj dosežene fizikalne omejitve. Še manjše strukture bi povzročile pogostejše napake pri branju podatkov, zmanjšali pa bi se tudi vzdržljivost (angl. »Endurance«) in trajanje hrambe podatkov (angl. »Data Retention«) – dolgoročna celovitost podatkov tako ne bi bila zagotovljena. Inovacije so zdaj zato usmerjene v tridimenzionalne strukture NAND (3D NAND) in povečevanje števila bitov na celico.
Trenutne rešitve: pasti za naboj in plavajoča vrata
Pri bliskovnih pomnilnikih 3D NAND je v višino sestavljenih več plasti celic bliskovnega pomnilnika – podobno kot pri večnadstropnih zgradbah se s tem močno poveča zmogljivost. To je preprosta primerjava, ki pa za sabo skriva zelo zapleteno tehnologijo. Trenutno sta uveljavljena dva pristopa: s plavajočimi vrati (angl. »Floating Gate«) in pastmi za naboj (angl. »Charge Trap«). Čeprav sta pri proizvodnem procesu popolnoma drugačna, je ideja podobna.
Pri pristopu s plavajočimi vrati so naboji shranjeni s plavajočimi vrati na elektronsko izoliranih vratih med kanalom in krmilnimi vrati. Pristop s pastmi za naboj pa zadržuje naboje v pasteh (angl. »Trapping Center«) v plasti silicijevega nitrida, ki jih od kanala ločuje tanka plast oksida za tuneliranje. V obeh primerih se želene plasti krmilnih vrat (angl. »Control Gate« – CG) izbirajo z linijami krmilnih vrat ali linijo za besedo (angl. »Wordline« – WL). Linije za bite (angl. »Bitline« – BL) izberejo niz.
Pomnilniška tehnologija 3D NAND prinaša številne prednosti za proizvajalce in stranke. Večja gostota pomnilnika omogoča proizvajalcem bliskovnih pomnilnikov, da zagotovijo večje kapacitete in več GB na silicijevo rezino s podobnimi izkoristki. Stranke imajo koristi od opaznega znižanja cen pri enaki vzdržljivosti.
Vseeno pa do zdaj še noben proizvajalec ni predstavil izdelka 3D NAND z odpornostjo proti visokim temperaturam, ki je pogosto potrebna v industriji. Leta 2019 računamo na prve izdelke 3D NAND, ki so primerni za industrijske temperature.
Bliskovni pomnilniki QLC NAND
Povečana gostota pomnilnika pa ne izhaja le iz zlaganja pomnilniških celic, ampak tudi s povečevanjem zmogljivosti samih celic. Ob uvedbi tehnologije NAND je obstajala samo arhitektura z enostopenjskimi celicami (angl. »Single Level Cell« – SLC). To pomeni, da je lahko vsaka pomnilniška celica hranila le po en bit. Pozneje so bile uvedene večstopenjske celice (angl. »Multi Level Cell« – MLC) in tristopenjske celice (angl. »Triple Level Cell« – TLC), ki lahko shranijo po dva ali tri bite. Z bliskovnimi pomnilniki QLC NAND je zdaj pred vrati naslednja generacija arhitektur 3D NAND. QLC je kratica za štiristopenjsko celico (angl. »Quadruple Level Cell«), ki lahko hrani štiri bite. S to arhitekturo je trenutno možnih do 96 plasti. Četrta generacija podjetja Micron in peta generacija podjetij Samsung, SK Hynix ter Toshiba naj bi omogočala že do 128 plasti.
Večja kapaciteta pri manjši trajnosti
Velika prednost bliskovnega pomnilnika QLC je veliko večja gostota pomnilnika in s tem večja kapaciteta. Posledično so izvedljiva manjša ohišja: podatkovne omare so lahko do 7,7-krat manjše kot pri uporabi trdih diskov, kar prihrani dragocen prostor v podatkovnih središčih.
Arhitektura QLC pa prinaša tudi nekaj slabosti. Vsaka pomnilniška celica ima lahko 16 različnih napetosti, zaradi česar je zapisovanje podatkov bolj kompleksno in počasnejše. Poleg tega se zmanjša zanesljivost pomnilnika. Potrditev posameznih bitov je zahtevnejša, več ciklov zapisovanja pa poslabša lastnosti celic, kar oteži določanje vrednosti posameznih bitov. Posledica so lahko podatkovne napake. Ta učinek lahko zmanjšamo s kodami za popravljanje napak (angl. »Error Correction Code« – ECC), ne moremo pa ga v celoti odpraviti. To vpliva tudi na trajnost pomnilnika QLC: S 500 do 1500 cikli programiranja in brisanja (angl. »Program/Erase« – P/E) je opazno slabša kot pri 3D-arhitekturi TLC ter bistveno slabša kot pri arhitekturi SLC.
Pripravljeno za načine uporabe z velikimi količinami podatkov
Kljub temu pa je uporaba bliskovnih pomnilnikov QLC priporočljiva za številne načine uporabe. Zaradi majhnega števila ciklov P/E so pomnilniki zasnovani predvsem za postopke branja (90+ %). Pomnilnike QLC lahko uporabljamo povsod, kjer je treba hitro prebrati velike količine podatkov, zapisovanje pa je redko. Take so na primer analize velikih količin podatkov (angl. »Big Data«) v realnem času, viri podatkov za umetno inteligenco, zagotavljanje medijev za storitve na zahtevo (angl. »On-Demand Service«), podatkovne zbirke NoSQL in overjanje uporabnikov. Za takšne aplikacije je skupni strošek lastništva (angl. »Total Cost of Ownership« – TCO) v primerjavi z uporabo trdih diskov bistveno nižji, saj je skupaj potrebnih bistveno manj pomnilniških enot, ki porabijo manj energije in lahko obdelajo več IOPS. Zaradi visoke gostote shranjevanja so možni tudi načini uporabe na trgih naprav z vgrajenimi krmilniki in mobilnih naprav.
5210 Ion: Prvi pogon SSD s tehnologijo QLC
Podjetje Micron je v sodelovanju s podjetjem Intel predstavilo prvi izdelek QLC na trgu s serijo pogonov SSD za velike poslovne sisteme (angl. »Enterprise SSD«) 5210 ION z vmesnikom SATA. Pogon SSD uporablja štiri bite na celico s skupno 64 plastmi celic. 2,5-palčni pogon lahko hrani od 1,92 do 7,68 TB.Hitrosti zaporednega prenosa podatkov znašajo 500 MB/s pri branju in 340 MB/s pri zapisovanju. Serija 5210 Ion je zasnovana predvsem za potrebe manj intenzivnih storitev v oblaku.
S tretjo generacijo pomnilnikov 3D NAND, ki je še v razvoju, bo podjetje Micron s skupaj 96 plastmi ponudilo največjo pomnilniško gostoto v gigabitih na kvadratni milimeter na trgu. Tudi drugi proizvajalci ne bodo dolgo čakali s svojimi prvimi rešitvami s tehnologijo QLC: Intel, ki zdaj neodvisno od podjetja Micron razvija svoj lastni pomnilnik 3D NAND, je pred kratkim napovedal proizvodnjo prvega pogona SSD s tehnologijo QLC z vmesnikom PCIe, podjetje Toshiba Memory pa namerava v letu 2019 začeti serijsko proizvodnjo pomnilnika QLC NAND BiCS4. Podjetje Rutronik je kot partner podjetij Apacer, Intel, Swissbit, Toshiba, Transcend in Wilk v tesnem stiku z vodilnimi proizvajalci podatkovnih pomnilnikov. Razvijalci in kupci se bodo tako lahko pri izbiri ustrezne pomnilniške tehnologije oprli na obsežno podporo ter svetovanje skupine za shranjevanje podatkov v podjetju Rutronik.
