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3D-NAND, 3D XPoint – was steckt hinter der neuen Flash-Generation? : Ausgabe 09/2018, 23.05.2018

Schneller mehr speichern

1989 wurde mit dem NAND-Flash-Speicher erstmals eine Technologie präsentiert, die in der Speicherwelt bis heute die Basis für alle gängigen Flash-Speicher ist. Diese Basis wurde seither in vielerlei Hinsicht weiterentwickelt, das ursprüngliche Prinzip jedoch beibehalten: Einzelne, planar angeordnete Zellen speichern Informationen in Form von Spannung.

Autor: Patrick Twele

Bilder: Intel

Was anfangs noch recht teuer und unzuverlässig war, dazu noch wenig Kapazität aufwies, setzte sich bis heute in fast allen Marktsegmenten durch, oder wird dies in Zukunft noch tun. Dieser Erfolg beruht auf Kostensenkung durch Strukturverkleinerung. Auch die Verwendung von mehr speicherbaren Informationen pro Zelle dank verschiedener Spannungslevels sowie das Hinzufügen von immer neueren Softwarefeatures hat dazu beigetragen. Was die Strukturverkleinerungen betrifft, ist mit heutigen kleinsten nm-Strukturen eine physikalische Grenze erreicht, die auf Herstellerseite nur noch schwer zu handhaben ist: Die Häufigkeit von Fehlern beim Auslesen der Daten erhöht sich, gleichzeitig verringern sich Endurance und Data Retention. Mit dieser Methode lässt sich also nichts mehr herausholen. Um jedoch weiter wachsen zu können, benötigen die Hersteller höhere Kapazitäten bei geringeren Kosten. Was also fehlt, ist eine völlig neue Technologie, oder zumindest ein neuartiges Prinzip der ursprünglichen NAND-Idee.

3D-NAND als Ersatz für bisherige planare Flash-Speicher

Die Vorstellung, dass ein 3D-Speicher einfach aus aufeinandergestapelten, planaren NAND-Gittern besteht, lässt sich mit der Realität leider nur schwer vereinbaren. Hersteller wie Intel/Micron, Toshiba/SanDisk, Hynix und Samsung entwickeln Jahre bis zur eigentlichen Serienreife eines Flash-Chips. Das heutige Ergebnis dieser Investitionen sind zwei unterschiedliche auf dem Markt befindliche Technologien. Intel/Micron verwendet für seine 3D-NAND-Chips ein Floating-Gate zur Speicherung der Elektronen, also dasselbe Prinzip wie bei bisherigem, planaren 2D-NAND. Alle anderen Hersteller setzen auf einen Charge-Trapping-Speicher, von Samsung 3D V-NAND genannt. Das von Intel/Micron eingesetzte Floating-Gate speichert die Ladungen auf einem elektrisch isolierten Gate zwischen dem Kanal und dem Kontroll-Gate. Bei Charge-Trapping-Speicher werden die Ladungen an Haftstellen (engl. trapping center), einer Schicht aus Siliciumnitrid, die vom Kanal durch eine dünne Tunneloxidschicht getrennt ist, gehalten.

Floating-Gate oder Charge-Trapping – der Markt wird es zeigen

Welche Vor- beziehungsweise Nachteile sich aus den unterschiedlichen Technologien für einen industriellen Einsatz ergeben, kann man erst abschätzen, sobald die Produkte auf dem Markt verfügbar sind. Das ist voraussichtlich im Laufe von 2018 der Fall. Bisher vorgestellte 3D-NAND-Speicher mit Floating-Gate verwenden ebenfalls die bereits von planaren Speichern bekannten TLC- und MLC-Speichertechnologien. Im Gegensatz dazu werden hier jedoch bessere Endurance-Werte erreicht. Vermutlich werden Charge-Trapping-Speicher hier noch besser abschneiden, jedoch bleibt auch das noch abzuwarten.

Microns 3D-NAND mit 32 Layern verwendet die Floating-Gate-Technologie. Die kleinste angegebene Kapazität dieser Serie ist 32 GByte mit MLC und 48 GByte mit TLC. Für sehr viele Anwendungen im industriellen Umfeld werden Kapazitäten dieser Grösse jedoch nicht benötigt – ein Umstieg auf diese Technologie ist teuer und daher wenig lohnenswert.

Der WAF spielt wichtige Rolle

Ein weiterer Faktor bei der Betrachtung dieser Speicherlösung rückt den Write-Amplification-Faktor (WAF) in den Fokus. Dieser gibt das Verhältnis der zu schreibenden Datei-grösse und der tatsächlich auf den Speicher geschriebenen Datenmenge wieder. Eine wichtige Rolle bei einer solchen Berechnung spielt die interne Blockgrösse der Flash-Chips. Planare Chips werden mit 4 bis 8 MByte gros­sen Blöcken hergestellt. Micron gibt für seine 32-Layer-Serie 16 MByte bei MLC und 28 MByte für TLC-Produkte an. In Verbindung mit einer Anwendung, die regelmässig kleine Dateigrössen schreibt, würde dies zu einem unnötigen Verschleiss und somit einem verfrühten Ausfall des Speichers führen. In diesem Anwendungsfall gilt: Umso grösser die einzelnen Blöcke, desto schlechter der WAF. Abhilfe kann hier beispielsweise ein DRAM-Cache bieten. Durch diese Angaben wird ersichtlich, dass 2D-Lösungen in nächster Zeit wohl kaum völlig vom Markt verschwinden werden. Hinzu kommt, dass bisher noch kein Hersteller ein Produkt mit einer, in der Industrie häufig notwendigen, hohen Temperaturbeständigkeit der Speicher präsentiert hat – unter anderem, weil der vorab belieferte Consumer-Markt diese Eigenschaft nicht benötigt. Erst Ende 2017 kamen erste Produkte mit industrietauglichen Eigenschaften auf den Markt. 3D-NAND also uneingeschränkt als Nachfolgelösung aller Einsatzzwecke der planaren Speicher zu sehen, wäre ein Fehler. Auch künftig muss man die Anwendung sowie den Speicher kennen.

Intels und Microns 3D-XPoint-Technik ist eine völlig neue Speicherart

Im Gegensatz zur bisherigen planaren NAND-Bauweise wird bei der 3D-XPoint-Speichertechnologie auf Transistoren verzichtet und die Speicherstruktur dreidimensional aufgebaut. Die eigentlichen Speicherzellen werden, im Gegensatz zu «normalem» 3D-NAND, auf die Kreuzungen des 3D-Gitters platziert. Die Bezeichnung 3D XPoint weist also auf die Architektur des Speichers hin. Vorteile dieser Anordnung und der damit möglichen individuellen Adressierung der Zellen sind schnelleres Lesen und Schreiben bei hohen Kapazitäten und eine im Vergleich zu DRAM acht- bis zehnfach höheren Dichte bei niedrigeren Kosten. Das eigentlich revolutionäre an 3D XPoint ist, dass es sich aufgrund seiner Werte weder als Flash-Speicher noch als DRAM im eigentlichen Sinne einstufen lässt. Während ein DRAM Daten mit sehr hohen Geschwindigkeiten speichert sowie liest, jedoch bei abgeschalteter Spannung nicht halten kann, kann ein Flash-Speicher zwar die Daten ohne Spannung erhalten, aber im Vergleich nur sehr langsam verarbeiten. Intels 3D XPoint bildet eine Brücke zwischen diesen beiden Technologien und erlaubt so völlig neue Anwendungen.

3D XPoint vereint die Vorteile von DRAM und Flash

Informationen werden schnell verarbeitet und dabei ohne anliegende Spannung erhalten. Die Endurance ist höher als bei planarem SLC-NAND und das PCIe 3.0 x2-Interface mit NVMe-Protokoll erlaubt schnelle Zugriffszeiten. 3D XPoint vereint also Vorteile der DRAM- sowie der Flash-Technologie. Verpackt in einem M.2-Formfaktor mit dem Namen Optane Memory lässt sie sich als Flash-Lösung verwenden, die jedoch auch Aufgaben des Arbeitsspeichers übernehmen kann. Bei einer solchen Anwendung entsteht ein System, das sich der Nutzung des Anwenders anpasst.

3D XPoint ist fünfmal teurer als ein MLC-NAND

Die enthaltene intelligente Software erlernt automatisch typische Vorgehensweisen bei der Computernutzung. Die hierzu schnell benötigten Daten werden direkt vom M.2-Modul bezogen. DRAM ist für diese Aufgabe nicht geeignet, da die Daten dort wieder verloren gehen würden. Das System kann somit sich häufig wiederholende Aufgaben beschleunigen und den Umgang mit dem Computer individuell optimieren. Zu beachten sind allerdings die hohen Kosten bei der Herstellung des Speichers. 3D XPoint hat also ein schlechtes Verhältnis von Kosten pro GByte – ein gewichtiges Argument. Grob in Zahlen ausgedrückt: 3D XPoint ist in etwa halb so teuer wie ein DRAM, aber fünfmal teurer als ein MLC-NAND. Und auch hier gibt es keine hohe Temperaturbeständigkeit. Eine weitere Voraussetzung für den Einsatz ist die zwingende Verwendung eines Intel Core-Prozessors der siebten Generation. Die 16- und die 32-GByte-Versionen sind bereits verfügbar. Weitere Kapazitäten und Formfaktoren wie 2,5"-SSDs, werden für die Zukunft erwartet.

Fazit

Was bleibt ist die Frage, welches Produkt für eine Anwendung das Richtige ist. Rutronik bietet alle momentan auf dem Markt verfügbaren Formfaktoren und Kapazitäten und wird dies auch in Zukunft – als Partner von Apacer, Intel, Swissbit, Toshiba und Transcend steht Rutronik in engem Kontakt mit führenden Herstellern. Hinsichtlich Qualität, Lieferzeit und Preis decken diese Partner nahezu alle Anforderungen und Kundenwünsche ab; auch kundenspezifische Anforderungen für spezielle Applikationen können realisiert werden. Bei der Auswahl finden Kunden umfassende Unterstützung durch die Rutronik-Speicherspezialisten. 

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Autor


Patrick Twele,

Product Sales Manager Storage bei Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH, DE-Ispringen