Rutronik GmbH
Author: Patrick Twele, Product Sales Manager at Rutronik
2017_256_14
SLC, MLC, TLC, 3D – Flash pomnilniki NAND so na izbiro z različnimi tehnologijami. Poznavanje teh tehnologij pomaga pri iskanju optimalnega pomnilnika za določeno vrsto uporabe.
NAND Flash je obstojni Flash pomnilnik, na katerem se podatki trajno ohranijo tudi brez dovoda energije. Vendar pa je ta trajnost omejena, pomnilniške celice se okvarijo, ne morejo več sprejeti informacij in celo izgubijo že shranjene informacije.
Vsak Flash pomnilnik informacije shrani v plavajoča vrata (floating gate), ki jih obdaja izolacijska oksidna plast. Pri pisanju, brisanju in branju se v plavajočih vratih s pomočjo električne napetosti premikajo elektroni. Pri tem pa se obrabi izolacija njihove oksidne plasti, kar privede do tega, da prej preneseni naboj znova odteče – pomnilniška celica je tako okvarjena. To pa pomeni omejeno število ciklov zapisovanja oz. brisanja (P/E cycles).
Čas zadrževanja podatkov v celici (data retention) je odvisen od števila ciklov zapisovanja/brisanja, pa tudi od temperature okolice in uporabljene Flash tehnologije.
Tehnologija Flash SLC (Single-Level Cell) omogoča shranjevanje enega bita na celico. To pomeni, da se na plavajočih vratih pojavita dva različna nivoja napetosti: z nabojem ali brez.
Razlikovanje med njima je preprosto in zato komajda podvrženo napakam. Tako ta tehnologija nudi do 100.000 ciklov zapisovanja/brisanja, preden se pojavi izguba podatkov.
Slaba stran tehnologije pa je relativno visoka cena na bit. Za znižanje te cene je treba v eni celici shraniti več podatkov, torej povečati število bitov. V ta namen se količina naboja za eno pomnilniško celico odmeri bolj fino in se pri branju analizira bolj točno.
Pri tehnologiji MLC (Multi-Level Cell) je mogoče v vsaki celici shraniti dva bita. To pomeni štiri različne nivoje napetosti na plavajočih vratih. Ker jih je težje razlikovati, je verjetnost napak večja. Tako je tukaj mogoče pričakovati le 3.000 ciklov zapisovanja/brisanja.
Različica tehnologije MLC je tehnologija eMLC. Pri tej se prek različnih nivojev napetosti prenaša manj elektronov. Tako se zviša število ciklov zapisovanja/brisanja na do 30.000, istočasno pa se zmanjša zadrževanje podatkov.
| Tehn. Flash | SLC | E-MLC | MLC | TLC |
|---|---|---|---|---|
| Bitov na celico | 1 bit | 2 bit | 2 bit | 3 bit |
| Strukturna širina | 21 nm | 2x nm | 15 nm | 15 nm |
| Spremembe strukture | ~36 mesecev | ~24 mesecev | ~12 mesecev | 12 mesecev |
| Zadrževanje podatkov | do 10 let | do 10 let | do 10 let | do 10 let |
| 1 leto do konca izdelave | 3 meseci do konca izdelave | 1 leto do konca izdelave | 1/2 leta do konca izdelave | |
| Ciklov zapisovanja/brisanja (P/E) | do 100.000 | 30.000 | 3.000 | 600 do 900 |
| Obseg industrijske temperature | x | x | x | – |
| Nizka poraba energije | xx | x | x | – |
| Stroški na GB | – | x | xx | xxx |
| Zmogljivost zapisovanja | xxx | x | x | – |
Pri tehnologiji MLC v načinu delovanja SLC (t. i. psevdo SLC, SuperMLC, SLC Lite itd.) gre za tehnologijo MLC, ki se obravnava kot tehnologija SLC: za vsako celico sta potrebna le dva bita, tako da je treba razlikovati manj nivojev napetosti in se zmanjša možnost napak. Tukaj je možno pribl. 20.000 ciklov zapisovanja/brisanja.
Tehnologija Flash TLC (Triple-Level Cell) omogoča shranjevanje treh bitov na celico, to pomeni, da je na plavajočih vratih možno osem nivojev napetosti. Njihovo jasno razlikovanje je zelo kompleksno in s tem tudi dovzetno za napake. Na ta način se število pričakovanih ciklov zapisovanja/brisanja zniža na 600 do 900.
Postopek miniaturizacije (shrinking) je eden od načinov v proizvodnji Flash pomnilnikov za znižanje stroškov na bit. Pri tem se strukture NAND izdelajo s čedalje manjšimi dimenzijami, da bi bila njihova proizvodnja učinkovitejša. Na ta način pa se zmanjšajo tudi plavajoča vrata in njihova oksidna plast – s tem pa tudi izolacija.
| Gostota | Zmogljivost | Vzdržljivost | Poraba energije | Proizvodni proces | |
|---|---|---|---|---|---|
| 2D NAND | nizka | nizka | nizka | visoka | preprost |
| 3D NAND | visoka (2x) | visoka (2x) | visoka (3–10x) | nizka | kompleksen |
To pomeni, da vse metode za znižanje stroškov proizvodnje povzročijo poslabšanje kakovosti Flash pomnilnika: poveča se pogostnost bitnih napak, istočasno se zmanjša število ciklov zapisovanja/brisanja, ravno tako zmogljivost in zadrževanje podatkov. Za izdelavo industrijskih pomnilnikov iz Flash modulov slabše kakovosti je zato potrebno čedalje bolj kompleksno upravljanje pomnilnika.
Flash pomnilnik za industrijo
Flash pomnilnik poleg pomnilniške komponente obsega tudi krmilnik z vdelano programsko opremo, ki prevzame upravljanje. Te funkcije (features) upravljanja izpolnjujejo naloge, ki so v industrijskem okolju bistvenega pomena:
- Wear Leveling poskrbi za enakomerno uporabo vseh pomnilniških celic, tako da zapisovanje poteka v najmanj obrabljenih celicah.
- Paged Based Mapping pri shranjevanju podatkov zmanjša količino dejansko zapisanih podatkov na Flash pomnilniku. Ker se na podlagi arhitekture vedno uporabljajo celotni pomnilniški bloki, je lahko količina zapisanih podatkov bistveno višja od količine, ki naj bi se pravzaprav shranila.
- Auto Refresh v obdobju neaktivnosti izvede pregled vseh pomnilniških celic in preveri kakovost shranjenih informacij glede mejne vrednosti. Če se ta prekorači, se vsebovane informacije kopirajo na drugi blok. Tako se ohranijo tudi redko rabljene informacije.
- Read Disturb šteje število bralnih dostopov v pomnilniško celico in vsebino kopira v drugo celico, ko je dosežena določena količina. Ker vsako branje pomnilniške celice vpliva na celico samo in tudi na sosednje celice, takšna zgornja meja obvaruje pred izgubo podatkov.
- Read Retry izvede ponoven bralni dostop, če bi prišlo do nepopravljivih napak. Ta drugi poskus se izvede z različnimi internimi nivoji napetosti. Tako se izključijo napake, ki bi nastale zaradi različnih temperatur med branjem in zapisovanjem.
- Power Fail Protection zaščiti podatke v primeru nepričakovanega upada napetosti. To je mogoče zagotavljati s pomočjo vdelane programske opreme ali s kondenzatorji.
Osredotočenost na industrijo
Odločilnega pomena pri uporabi v industriji je tudi zagotovljena t. i. kosovnica (Bill of Material – BoM) v kombinaciji z obvestilom o spremembi izdelkov (Product Change Notification – PCN). Pred serijsko izdelavo Flash pomnilnika se vsi uporabljeni sestavni deli preverijo glede njihove primernosti za industrijsko rabo. 100-odstotno zagotovljena (fixed) kosovnica BoM pomeni, da je celotna strojna in programska oprema pomnilnika identična prej testirani. Kajti spremembe sestavnega dela ali vdelane programske opreme imajo lahko v odvisnosti od uporabe daljnosežne posledice. Da bi te preprečili, se proizvajalci, ki so osredotočeni na industrijski trg, že vnaprej v obvestilu PCN dogovorijo o teh spremembah. Tako imajo stranke dovolj časa za izvedbo testov in morebitno iskanje alternativ. Tukaj so določeni tudi podatki o zadnjem možnem nakupu (last time buy) ter o preteku časa do konca proizvodnje (end of life).
Nadaljnji koraki razvoja tehnologije, kot na primer postopek miniaturizacije, dosežejo svoje fizikalne meje. Začetne strukturne širine Flash celic so obsegale 70 nm in so se potem zmanjšale na današnjih 15 nm ter s tem dosegle mero, ki je skorajda ni več mogoče pomanjšati. Tako je namesto nadaljnjega zmanjševanja prišlo do bistvenih sprememb dvodimenzionalnega razporejanja pomnilniških celic in razširitve v tretjo dimenzijo. Tako nastala tehnologija 3D NAND pomeni navpično razporejanje plasti pomnilniških celic, s tem pa se doseže bistveno višja gostota pomnilnika, kot bi bila mogoča dvodimenzionalno. V primerjavi z 2D NAND so tako prisotni manjši oblikovni faktorji, manjša poraba električnega toka, veliko višje kapacitete in več vzdržljivosti.
Prve Flash pomnilnike 3D NAND je Intel dal na trg v 3. četrtletju leta 2016, drugi partnerji podjetja Rutronik pa v 1. četrtletju leta 2017.
