3d nand что это
Перейти к содержимому

3d nand что это

  • автор:

Технология флеш-памяти NAND и твердотельные накопители (SSD)

Твердотельные накопители SATA и M.2 на столе рядом с ноутбуком

Если у вас есть USB-накопитель или SD-карта Kingston, у вас уже есть продукты с флеш-памятью, также известной как флеш-память NAND. В глобальном масштабе потребление флеш-памяти NAND резко выросло за последние пять лет, и новые продукты, такие как твердотельные накопители, в настоящее время широко внедряются в корпоративные вычислительные устройства, — ноутбуки, настольные компьютеры, рабочие станции и серверы.

Вот краткое описание того, что вам нужно знать о флеш-памяти NAND.

Энергонезависимая флеш-память NAND

Одним из преимуществ флеш-памяти NAND является энергонезависимое хранение данных. В отличие от памяти DRAM, которой необходимо постоянное питание для хранения данных, память NAND сохраняет данные даже при отключенном питании. Поэтому она идеально подходит в качестве хранилища для портативных устройств.

Твердотельные накопители M.2 и mSATA

Типы флеш-памяти NAND

В настоящее время существует пять типов флеш-памяти NAND. Они различаются количеством битов, которые может хранить каждая ячейка. В SLC NAND — один бит на ячейку, MLC — два бита на ячейку, TLC — три бита на ячейку, QLC — четыре бита на ячейку, PLC — пять бит на ячейку. Таким образом, SLC NAND может хранить «0» или «1» в каждой ячейке, MLC NAND — «00», «01», «10» или «11» в каждой ячейке и так далее. Эти пять типов памяти NAND обеспечивают различные уровни производительности и срока службы в различных ценовых категориях (SLC является более производительным и наиболее дорогостоящим вариантом на рынке памяти NAND). Узнайте больше о различиях между разными типами памяти NAND.

Память 3D NAND

В 3D NAND несколько слоев ячеек памяти размещаются вертикально, и между слоями организованы взаимосвязи. Организация нескольких уровней ячеек памяти в вертикальные слои обеспечивает большую емкость хранилища при меньшей площади и повышает производительность благодаря более коротким общим соединениям для каждой ячейки памяти. Этот тип памяти отличается меньшей стоимостью на бит по сравнению с 2D NAND. Во флеш-устройствах 3D NAND могут использоваться чипы MLC, TLC или QLC.

Твердотельный накопитель SATA, наполовину извлеченный из отсека для серверной памяти

Выравнивание износа ячеек памяти NAND

Ячейки NAND не предназначены для вечной эксплуатации. В отличие от памяти DRAM, они со временем изнашиваются, поскольку циклы записи создают большую нагрузку по сравнению с циклами чтения. Устройства памяти NAND имеют ограниченное количество циклов записи, но функция выравнивания износа управляет износом ячеек с помощью контроллера флеш-памяти, который всегда находится на устройстве. На всех USB-накопителях, SD-картах и твердотельных накопителях есть контроллер NAND, который управляет флеш-памятью NAND и выполняет такие функции, как выравнивание износа и исправление ошибок.

Чтобы продлить срок службы устройств памяти NAND, контроллер флеш-памяти NAND гарантирует, что все записанные данные равномерно распределяются по всем физическим блокам устройства, чтобы какие-то области NAND не изнашивались быстрее, чем другие.

Твердотельные накопители (SSD)

За последние несколько лет стоимость флеш-памяти NAND упала в достаточной степени, чтобы для клиентских систем и серверов стало возможным использование новых основных устройств хранения, таких как твердотельные накопители. Твердотельные накопители — это прямая замена жестких дисков (стандартных вращающихся) в компьютерах с совместимыми интерфейсами, такими как SATA или SAS.

Твердотельные накопители обладают значительными преимуществами в плане производительности и долговечности по сравнению со стандартными жесткими дисками. Твердотельные накопители не имеют движущихся частей; все они являются полупроводниковыми устройствами. В связи с этим твердотельные накопители не страдают от механических задержек, как жесткие диски. А без движущихся частей SSD-накопители могут подвергаться гораздо большим ударным нагрузкам и вибрации, чем жесткие диски, благодаря чему отлично подходят для широкого спектра портативных и мобильных устройств.

Раньше твердотельные накопители разрабатывались на основе чипов DRAM и были дорогостоящими, что делало их пригодными только для требовательных серверных сред.

Сегодня благодаря более низкой стоимости флеш-памяти NAND твердотельные накопители используются в самых разных сферах применения — от потребительских устройств до корпоративных и военных вычислительных систем.

Твердотельный накопитель U.2, наполовину извлеченный из отсека для серверной памяти

Срок службы SSD

Компания Kingston использует флеш-память NAND с номинальным сроком службы, подходящим для рабочей нагрузки твердотельного накопителя. В результате Kingston может по конкурентоспособной цене предложить твердотельные накопители для различных вариантов применения.

Твердотельные накопители Kingston клиентского и корпоративного класса обладают номинальным сроком службы, соответствующим целевой рабочей нагрузке. Для клиентских SSD-накопителей компания Kingston предоставляет спецификацию TBW (количество записанных терабайтов), благодаря чему пользователи могут прогнозировать срок службы SSD-накопителя в своем варианте применения.

Корпоративные твердотельные накопители Kingston оцениваются аналогично с использованием спецификации TBW, а также характеризуются значением DWPD (количество перезаписей всего объема накопителя в день), которое определяется на основе TBW и гарантийного срока SSD-накопителя. Например, твердотельный накопитель емкостью 1 ТБ с номинальным эксплуатационным ресурсом 1DWPD означает, что пользователь может записывать на SSD-накопитель 1 ТБ данных в день в течение 5 лет. Значения TBW/DWPD помогают корпоративным клиентам, которые развертывают твердотельные накопители Kingston в своих корпоративных средах, планировать ИТ-инфраструктуру.

Компания Kingston предоставляет программную утилиту «KSM» (Kingston Storage Manager) для отслеживания срока службы SSD-накопителя. Думайте о ней как о датчике уровня топлива, по которому пользователь может периодически проверять состояние SSD-накопителя.

Производительность твердотельного накопителя

Большинство клиентских систем более не ограничено производительностью процессора. Практически всегда ограничивающим фактором является хранилище. Задержка в работе жестких дисков исчисляется в миллисекундах, в то время как для твердотельных накопителей она составляет сотни микросекунд.

SSD-накопитель может вдохнуть новую жизнь даже в системы, выпущенные несколько лет назад (если они имеют интерфейс, совместимый с SATA), и обеспечить их высокую производительность. В системе на основе ОС Windows® время загрузки сокращается с многих минут до одной или менее, что делает SSD-накопитель средством повышения производительности памяти. В целом, он часто обеспечивает самый высокий прирост производительности по сравнению с любой другой модернизацией системы.

QLC, TLC, MLC и SLC

В современных SSD наиболее распространены четыре типа чипов памяти NAND: QLC, TLC, MLC и SLC.

QLC (Quad-Level Cell) — ячейка памяти, способная хранить 4 бита информации. По состоянию на февраль 2020 года NAND-память типа QLC является самой доступной по стоимости хранения 1 ГБ данных, приближаясь по данному параметру к традиционным жестким дискам. При этом по быстродействию и ресурсу на запись QLC-память лишь немного уступает не только SLC- и MLC-, но и TCL-памяти.

TLC (Triple-Level Cell) – ячейка памяти, способная хранить 3 бита информации. Обладает большей плотностью, но меньшей выносливостью по сравнению с SLC и MLC. TLC также отстает от SLC и MLC по скорости чтения и записи и ресурсу в циклах Program/Erase. До настоящего момента память типа TLC NAND использовалась в основном в flash-накопителях (флешках), однако совершенствование технологий производства сделало возможным использование памяти TLC и в стандартных SSD.

Описанные выше ячейки памяти относятся к планарному, то есть 2D-типу. Их недостатком является необходимость перехода к более тонким техпроцессам для увеличения плотности записи данных в каждом отдельном чипе. Из-за ряда физических ограничений делать это до бесконечности не получится. Поэтому были разработаны 3D-ячейки памяти. Такая ячейка представляет собой цилиндр:

3D Cell

Таким образом, появляется возможность разместить несколько ячеек памяти на одном слое микросхемы. Такие ячейки называются 3D V-NAND, 3D TLC и 3D QLC. Емкость и надежность 3D-памяти сравнимы с емкостью и надежностью памяти TLC.

MLC (Multi-Level Cell) – ячейка памяти, способная хранить несколько бит информации. MLC дешевле SLC, однако обладает меньшей выносливостью и меньшим ресурсом циклов Program/Erase. MLC — хороший выбор для коммерческих и рабочих платформ, т.к. характеризуется хорошим соотношение цена/скорость работы.

eMLC (Enterprise Multi-Level Cell) – ячейка, аналогичная по структуре обычной MLC, но с увеличенным ресурсом по циклам Program/Erase. По надежности eMLC находится между SLC и MLC, а стоит ненамного дороже MLC. Типичное применение eMLC — рабочие станции и серверы среднего класса.

SLC (Single-Level Cells) – ячейка, способная хранить 1 бит информации. Память SLC имеет высокую производительность, низкое энергопотребление, наибольшую скорость записи и количество циклов Program/Erase. Память типа SLC обычно используется в серверах высокого уровня, поскольку стоимость SSD на основе SLC велика.

3D NAND

graph

Количество состояний ячейки в зависимости от типа памяти

Физически все четыре типа ячеек NAND-памяти состоят из одинаковых транзисторов. Единственным отличием является количество хранимого ячейкой памяти заряда. Все четыре типа ячеек работают одинаково: при появлении напряжения ячейка переходит из состояния «выключено» в состояние «включено». SLC использует два отдельных значения напряжения для представления одного бита информации на ячейку и двух логических уровней (0 и 1). MLC использует четыре отдельных значения напряжения для представления четырех логических состояний (00, 01, 10, 11) или двух битов. TLC использует восемь отдельных значений напряжения для представления восьми логических состояний (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) или трех битов информации. QLC использует шестнадцать отдельных значений напряжения для представления шестнадцати логических состояний (от 0000 до 1111).

Поскольку в SLC используется только два значения напряжения, эти значения могут сильно отличаться друг от друга, уменьшая потенциальную возможность некорректно интерпретировать текущее состояние ячейки и позволяя использовать стандартные условия коррекции ошибки NAND. Вероятность ошибок чтения увеличивается при использовании TLC и QLC NAND, поэтому данные типы памяти требуют большего объема ECC (Error Correction Code – код коррекции ошибок) при исчерпании ресурса NAND, поскольку в TLC и QLC приходится корректировать сразу три или четыре бита информации соответственно.

Флеш-память типа 3D V- NAND

Флеш-память типа 3D V- NAND постепенно получает все более широкое распространение. Она не только обеспечивает повышенную ёмкость в сравнении с памятью типа MLC, но и обладет более высокими показателями надежности по сравнению с TLC.

На недавно прошедшем собрании инвесторов Intel было объявлено, что во второй половине 2015 года совместное предприятие Intel-Micron Flash Technologies начнёт массовое производство многослойных чипов ёмкостью 256 и 384 Гбит.

Трёхмерная структура новых чипов с трехуровневыми ячейками 3D-NAND будет иметь 32 слоя кристаллов, соединённых с помощью массива специальных вертикальных структур, аналогичных традиционным TSV (through silicon via). Появление чипов флеш-памяти с такой ёмкостью откроет дорогу к созданию твердотельных жёстких дисков огромного объёма, с объёмами, сопоставимыми с традиционными HDD последнего поколения.я. Вице-президент подразделения Intel, занимающегося энергонезависимой памятью, Роб Крук (Rob Crooke) считает, что в ближайшие два года ёмкость SSD на базе новой технологии может перевалить за 10 терабайт.

Снижение себестоимости и повышение надежности достигается путем применения более крупных и дешевых технологических процессов (каких именно – Intel пока не сообщает). Но рабочие прототипы SSD на базе 256-гигабитных «трёхмерных» чипов уже существуют, и один из них был продемонстрирован на вышеупомянутом собрании инвесторов Intel.

Параллельном курсом движется компания Samsung, которая тоже активно производит «трёхмерную» флеш-память: её 128-гигабитные чипы имеют 24 или 32 слоя и используют непривычно крупные по нынешним меркам технологические нормы — 42 нанометра. «Видимая ёмкость» этих микросхем составляет 86 Гбит; похоже, Samsung осторожничает, желая любой ценой избежать гипотетических проблем с новой технологией. На этом фоне проект Intel-Micron, стартующий сразу с 256-гигабитной ёмкости, выглядит куда более амбициозно, но и стоимость конечного продукта при таком подходе будет заметно ниже. А от этого, разумеется, выиграют и рядовые пользователи.

Новые многослойные чипы флеш-памяти Intel, может быть, и не произведут массовой революции на рынке твердотельных накопителей в целом, но они сделают ёмкие модели более доступными для пользователей и позволят компании существенно укрепить свои позиции в этой отрасли микроэлектроники.

3D NAND флэш-память

3D NAND — это такой тип конструкции флеш памяти, при котором, по сравнению с двумерной NAND, добавляется третье измерение по вертикальной оси. Это не означает, что кристаллы складываются в стопку. Внутри каждого кристалла содержится много слоев ячеек памяти, расположенных один над другим. На той же площади, которую занимает один плоский сегмент ячеек памяти, можно расположить несколько вертикальных сегментов. Благодаря этой технологии отпала необходимость дальнейшего уплотнения ячеек, что позволило обойти литографический барьер и вернуться к использованию техпроцесса 30 или 40 нм, при значительном увеличении количества ячеек. Таким образом существенно возрастает объем памяти и скорость работы, а потребление энергии уменьшается.

2016: Рынок ждет 3D NAND flash

В 2016 году Intel и Micron Technology представят технологию 3D XPoint memory, также известную как Optane, которая увеличит производительность и надежность жестких дисков в тысячу раз по сравнению с существующей технологией NAND flash.

Не надо списывать со счетов NAND flash. Несмотря на то что все идет к тому что чип Optane и другие технологии хранения данных могут заменить дорогую DRAM для многих приложений, это будет недёшево в течении долгого времени. Поэтому пока остается возможность для дальнейшего продвижения NAND flash.

Samsung, Intel\Micron Technologies, Toshiba и другие верят что технология 3D NAND flash позволит увеличивать максимальный объем и снижать стоимость жестких дисков. В конечном счете, 3D NAND даже убедит потребителей в том, что SSD могут быть такими же доступными как HDD.

«Очень скоро flash память будет такой же дешевой как вращающиеся носители, — говорит Сива Сиварам, исполнительный вице-президент SanDisk.

Эти технологические успехи лишь последняя глава в долгой истории постоянно растущих потребностей в области хранении данных, которые заставляют инновации соответствовать новым требованиям.

Ранее в индустрии энергонезависимой памяти были достигнуты значительные успехи для увеличения максимального объема. Одноуровневая ячейка (SLC) NAND flash стала многоуровневой (MLC) NAND, где вместо одного бита на транзистор, хранилось два или три бита. Когда MLC NAND достигла своего предела с 10 нанометровым литографическим процессом, Samsung, а вслед за ней и Intel/Micron Technologies и Toshiba, представили 3D NAND flash, которая группировала NAND ячейки в виде структуры высотой до 48-и уровней. Производители flash памяти верят, что для них нет предела в росте.

Image:HDD-2016-02.jpg

Несмотря на то что 2D NAND подходит к пределу масштабирования из-за размера и ошибок литографии, группировка уровней для создания 3D NAND обходит эти трудности. Рисунок выше показывает один способ достижения 3D NAND. Горизонтально сгруппированные информационные линии вокруг центрального отверстия памяти представляют сгруппированные NAND биты. Эта конфигурация уменьшает требования к литографии. Центральное отверстие минимизирует смещение соседних битов, и общая плотность значительно увеличивается.

Небоскребы NAND flash вырастут за пределы 100 ярусов

Начиная с первой итерации, технология 3D NAND flash предлагала увеличение надежности от двух до десяти раз и в два раза большую производительность записи по сравнению с плоской NAND.

Более важно, однако, что 3D NAND устранила литографический барьер (который был у одноуровневой NAND), с которым столкнулись производители, как только уменьшили размер транзисторов ниже 15 нанометров. Меньший литографический процесс привел к ошибкам данных, так как биты (электроны) просачивались между тонкими стенками ячеек.

«Важно то, что ты не строишь эти 3D NAND небоскребы по одному этажу за раз. Мы знаем, как подняться от 24 уровней до 36, 48, 64 и т. д.», — говорит Сиварам. «Здесь нет физических ограничений. Что у нас есть сейчас в 3D NAND, это предсказуемое масштабирование на три и четыре поколения – нечто такое, чего у нас раньше никогда не было».

Image:HDD-2016-01.jpg

Технология 3D Xpoint, также известная как Optane, примерно в 1000 раз быстрее чем NAND; один чип может хранить до 128 Гигабит данных.

По состоянию на март 2016 года ожидается, что Samsung, SanDisk и Toshiba, Intel и Micron Technology могут создать 48-уровневый 3D NAND, который может хранить 256 Гбит (32 ГБ) на одном чипе. Хотя Samsung единственная компания, которая массово производит 48-уровневые чипы, остальные производители планируют вскоре запустить свои продукты. TAdviser и Softline провели исследование «Российские СУБД 2023»

SanDisk, по словам Сиварама, уже запланировала 3D NAND чипы с более чем сотней уровней.

«Мы не видим физического предела тому, как далеко мы можем зайти. Если я спрошу NAND производителей как далеко мы можем зайти, они не скажут мне что мы можем дойти до 96 или 126 уровней, и это будет физический предел»,- сказал Сиварам. «Это было нашей мечтой долгое время».

В то время как производственные мощности для создания 3D NAND намного более дорогие чем оборудование для производства плоской NAND или HDD – одна установка может стоить $10 млрд. – Сиварам утверждает, что со временем они оптимизируют стоимость по мере внедрения серийного производства.

Ценообразование — это ключевой момент

В то время как предприятия и потребители любят объем – чем больше, те лучше – цена чаще всего определяет выбор.

Intel и его партнер по разработке Micron Technology, работают над тем, что может стать революцией в индустрии энергонезависимой flash памяти: чип Optane – известный внутри Intel как 3D XPoint.

Хотя Intel предоставил мало информации о том, чем будет Optane, большинство экспертов в индустрии верят, что это разновидность резистивной RAM.

Image:HDD-2016-03.jpg

Двухуровневое изображение чипа резистивной RAM архитектуры 3D XPoint (Optane). Данная архитектура устраняет потребность в транзисторах для хранения битов и вместо этого использует решетку проводников, которые используют электрическое сопротивление для обозначения 1 или 0.

Резистивная RAM (ReRAM) способна осуществлять операции чтения и записи потребляя в 50-100 раз меньше мощности чем NOR flash, что делает ее идеальной для мобильных устройств – даже переносных.

ReRAM основана на концепции «резистора памяти», также известной как мемристор (memristor). Термин мемристор был введен ученым Леоном Чуа из университета Калифорния-Беркли в начале 1970-х.

До появления мемристора, исследователи знали только три базовых элемента цепи – резистор, конденсатор, и катушка индуктивности. Мемристор, который потребляет намного меньше энергии и предлагает большую производительность, чем предыдущие технологии, был четвертым.

На март 2016 года, единственная компания, поставляющая ReRAM продукты это Adesto Technologies. Она представила новый проводящий мостовой RAM чип (CBRAM) для устройств, ориентированных на аккумулирование энергии и работу от батареи, которые используются на рынке интернета вещей.

Image:HDD-2016-04.jpg

Микроскопическое фото профиля контура Resistive RAM, где тонкие проводящие нити пересекаются и соединяются с силиконовыми уровнями чтобы представить бит данных.

В то же время, Intel планирует предоставить свои Optane диски для пользователей персональных компьютеров в 2016 году. Разработанные совместно с Micron, новые диски, как предполагается, должны быть в 10 раз компактнее чем DRAM, и в теории в 1000 раз быстрее и надежнее чем NAND SSD.

С увеличенным в тысячу раз ресурсом NAND, диски Optane предоставят один миллион циклов чтения-записи, что означает, что новая память будет работать практически бесконечно.

«Она не такая быстрая как DRAM, поэтому она ее не заменит в большинстве чувствительных к задержке приложений, но у нее намного больше компактность и намного меньшая задержка по сравнению с NAND», — говорил Расс Мэйер, производственный директор Micron, в интервью Computerworld. «Если вы сравните насколько SSD быстрее по сравнению с HDD и насколько быстрее 3D XPoint по сравнению с традиционным NAND, это будет улучшение одного порядка»,- сказал Мэйер.

Intel продемонстрировала, что Optane диски работают примерно в семь раз быстрее чем существующие SSD.

В 2016 году, Intel также планирует выпустить Optane диски для серверов, основанных на его новом процессоре Skylake.

На ряду с дисками Optane SSD, ожидается что ReRAM технология будет представлена как DIMM-чипы которые вставляются в слоты памяти.

Алан Чен, старший руководитель научно-исследовательского отдела в DRAMeXchange, подразделения TrendForce, сказал, что даже если технология ReRAM от Intel выйдет на потребительский рынок персональных компьютеров в 2016 году, ее использование будет ограничено топовыми продуктами из-за высокой стоимости.

«Влияние Optane на рынок SSD будет определятся ее ценой. В настоящее время, Optane продукты по-прежнему более дорогие чем широко распространенные NAND аналоги. Следовательно, они вначале повлияют только на рынок самых дорогих SSD», — уверен Чен.

В 2015 году, Hewlett-Packard и SanDisk анонсировали соглашение о совместной разработке Storage Class Memory (SCM) ReRAM которая может заменить DRAM и которая должна быть в 1000 раз быстрее чем NAND flash.

Стартап Knowm в Мехико также работает над производством мемристоров.

Image:HDD-2016-05.jpg

Мемристор компании Knowm может позволить создать умные компьютеры, которые будут подражать работе человеческого мозга.

Новый мемристор может привести к созданию умных компьютеров имитируя реакции человеческого мозга.

Мемристоры компании Knowm разработаны для имитации человеческого мозга, в котором синапсис соединяет два нейрона. Эти нейроны становятся сильнее по мере того как между ними проходят электрические сигналы. Похожим образом, обучение и удержание информации в мемристорах Knowm определяется характеристиками потока данных и электрическим током.

Чен раскрыл информацию о том, что Samsung также работает над технологией похожей на Optane от Intel, которая инкорпорирует производство DRAM и NAND. Samsung, однако, отказался это комментировать.

Смотрите также

  • DRAM-память (мировой рынок)
  • Энергонезависимая память (NVRAM Non Volatile Random Access Memory)
  • Сегнетоэлектрическая оперативная память (Ferroelectric RAM, FeRAM, FRAM)
  • ReRAM — Резистивная память случайного доступа
  • MRAM (magnetoresistive random access memory, магниторезистивная память с произвольным доступом)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *