O que é o 3D NAND e como ele funciona?

O que é 3D NAND?

O 3D NAND também é conhecido como NAND vertical (V-NAND ). É um tipo de memória flash não volátil em que as células de memória flash em um dado de transistor são empilhadas verticalmente para aumentar a densidade do armazenamento. Quanto mais camadas de células você puder empilhar em um único transistor sem comprometer significativamente a integridade dos dados, maior será a densidade do seu armazenamento.

Como funciona o 3D NAND?

Um chip de memória flash típico funciona armazenando dados como estados de tensão em um circuito elétrico. Para entender como o 3D NAND funciona, é importante primeiro entender o funcionamento interno de uma célula NAND.

O que significa NAND?

NAND significa “NÃO E”, que se refere ao operador booleano ou porta lógica que governa o circuito interno de uma célula NAND. O operador NAND produz um valor FALSO somente se ambas as entradas forem VERDADEIRAS.

Fundamentos da operação da memória flash

A célula NAND mais básica é um transistor composto por dois gates:

• Uma porta de controle, que é conectada eletricamente ao restante do circuito, permitindo que a célula seja programada.
• Uma porta flutuante, que é eletricamente isolada do circuito, permitindo armazenar carga sem energia.

A porta flutuante é intercalada entre duas camadas de isolamento, com a porta de controle na parte superior e o canal ligando a fonte e a drenagem abaixo.

Para programar uma célula NAND, uma tensão precisa ser aplicada à porta de controle, que permite que os elétrons no canal superem a tensão limite da primeira camada de isolamento e o túnel na porta flutuante. Quando a porta flutuante é carregada, os dados são armazenados com eficácia e o valor binário da célula é definido como zero.

Para apagar a célula, uma alta tensão precisa ser aplicada na fonte e na drenagem para induzir uma tensão negativa no gate de controle. Isso permite que os elétrons presos na porta flutuante voltem ao túnel através da camada de isolamento inferior no canal, apagando efetivamente a célula e definindo seu valor binário para 1.

Por que empilhar células NAND verticalmente?

À medida que o tamanho da célula diminui, também diminui a distância entre células em um único plano de transistor. Isso pode ser especialmente problemático quando você considera que a memória flash funciona armazenando estados de tensão em uma única célula de transistor. Os elétrons que vazam das células não seriam muito bons para o armazenamento de memória persistente. Empilhar células NAND verticalmente em camadas oferece várias vantagens, mais notavelmente a capacidade de separar células de transistor para evitar interferência de células adjacentes. Isso melhora a estabilidade e a longevidade da célula.

Onde o 3D NAND se encaixa na evolução do flash?

A tecnologia 3D NAND tem desempenhado um papel importante em ajudar o setor a acompanhar a Lei de Moore, apesar das limitações físicas de reduzir as células. Confira uma visão geral de como a tecnologia evoluiu ao longo do tempo:

• Flash de célula de nível único (SLC): um bit por célula, dois estados de tensão possíveis
• Flash de célula de vários níveis (MLC): dois bits por célula, quatro estados de tensão possíveis
• Flash de célula de nível triplo (TLC): três bits por célula, oito estados de tensão possíveis
• Flash de célula de nível quádruplo (QLC ): quatro bits por célula, 16 estados de tensão possíveis

A cada geração subsequente, você aumenta o número de bits por célula dobrando o número de estados de tensão possíveis. Como você pode imaginar, a complexidade de lidar com vários estados de tensão em uma única célula requer maior precisão elétrica, o que pode se traduzir em uma redução no desempenho e na longevidade do dispositivo NAND.

Como regra geral, os SLCs são os mais rápidos e estáveis, enquanto os QLCs podem oferecer a maior capacidade. Dito isso, é importante observar que essa desvantagem entre desempenho e resistência é relativa. O flash ainda tem um desempenho muito maior do que os HDDs, e à medida que a tecnologia melhora, também melhora a estabilidade das células de nível mais alto. Os temores das limitações de resistência do TLC NAND foram abordados ao longo do tempo, permitindo que os datacenters de hoje aproveitem o alto desempenho, a confiabilidade e a velocidade do TLC NAND moderno.

Quais são os benefícios do 3D NAND?

Agora que abordamos os conceitos básicos de como as células 3D NAND funcionam, vamos ver as vantagens que o 3D NAND oferece. O 3D NAND permite:

• Ajuste mais células de memória flash em um único chip para aumentar a capacidade.
• Aproveite a liberdade dimensional para posicionar as células de maneira ideal para evitar interferências e vazamentos de elétrons para maior confiabilidade das células.
• Armazene mais estados de tensão e, portanto, bits, por célula individual para uma capacidade ainda maior.

Quais são as desvantagens do 3D NAND?

Como mencionamos anteriormente, gerenciar todos esses estados de tensão não é fácil. Quanto mais bits você puder empilhar por célula, maior a precisão elétrica necessária para realizar operações de leitura/gravação de maneira confiável.

Essa realidade se manifesta como as seguintes desvantagens:

• Custos mais altos de fabricação
• Compensação entre capacidade e confiabilidade e longevidade da célula

Quão confiável é a SSD 3D NAND?

Em uma comparação individual com o 2D NAND , o 3D NAND oferece melhor desempenho, velocidade, consumo de energia, resistência e economia. Por outro lado, deve-se observar que existem arquiteturas que empregam camadas de empilhamento de NAND 2D na configuração MLC. Tais sistemas podem competir com arquiteturas 3D NAND. É por isso que é importante analisar a confiabilidade de um sistema de armazenamento total caso a caso, em vez de fazer suposições gerais com base apenas nos componentes.

Como a Pure Storage aproveita o 3D NAND para fornecer soluções personalizadas para suas necessidades

Como pioneira em soluções de armazenamento totalmente flash, a Pure Storage ® confiou na tecnologia 3D NAND para desenvolver arrays de armazenamento totalmente flash poderosos que podem competir com os custos das unidades de disco mecânico tradicionais para vários aplicativos. Entre elas:

• FlashArray//X: Uma rede de área de armazenamento totalmente flash que aproveita o TLC NAND para fornecer armazenamento em bloco de alto desempenho para aplicativos de Camada 0 e Camada 1.
• FlashArray//C: Uma solução de armazenamento totalmente flash otimizada para capacidade que aproveita o flash QLC para oferecer desempenho totalmente flash a um custo por capacidade comparável aos arrays de armazenamento híbridos e HDD.
• FlashBlade®: Uma solução de armazenamento totalmente flash de expansão horizontal que oferece armazenamento unificado e rápido de arquivos e objetos (UFFO, Unified Fast File and Object).

Pronto para acelerar seu armazenamento de dados com o paralelismo massivo e a velocidade do armazenamento 3D NAND? Veja como os produtos e soluções da Pure Storage podem ajudar você com as necessidades do seu datacenter.