Was ist 2D NAND und wie funktioniert es?

Was ist ein 2D NAND-SSD?

2D NAND, auch bekannt als „planares NAND“, ist eine Art von Flash-Speicher, bei dem Flash-Speicherzellen nebeneinander auf einem Transistorchip angeordnet sind. 2D NAND wurde erstmals 1987 auf den Markt gebracht und ermöglichte frühen Solid-State-Laufwerken (SSDs) eine bessere Performance, eine höhere Lese-/Schreibgeschwindigkeit und größere mechanische Stabilität als ihren HDD-Gegenstücken (Festplattenlaufwerke), allerdings zu höheren Kosten für Kapazität. Die Kapazität war im Wesentlichen durch die Anzahl der Zellen begrenzt, die nebeneinander in einer einzigen Ebene untergebracht werden konnten, was zur Entwicklung von 3D NAND führte. In diesem Artikel werden wir uns ansehen, was 2D NAND ist, wie es funktioniert und wie zuverlässig es ist.

Wie funktioniert 2D NAND?

Bei 2D NAND werden Speicherbits als Spannungszustände in einer elektrischen Schaltung gespeichert. Um zu verstehen, wie 2D NAND funktioniert, muss man zunächst einige Konzepte rund um NAND-Zellen kennen.

Was bedeutet „NAND“ in „2D NAND“?

NAND steht für „NOT AND“ und beschreibt das logische Gatter oder den booleschen Operator, der in der internen Schaltung einer NAND-Zelle verwendet wird. Ein NAND-Gatter erzeugt nur dann den Wert „FALSCH“, wenn beide Eingänge WAHR sind.

Was genau ist eine NAND-Zelle?

Eine NAND-Zelle ist ein Transistor, der aus einem Steuer-Gate an der Oberseite und einem Floating-Gate besteht, das zwischen zwei Isolationsschichten mit einem Kanal liegt, der Source- und Drain-Anschluss unten miteinander verbindet. 

Durch das Anlegen einer Spannung an das Steuer-Gate werden Elektronen im Kanal angezogen, sodass sie durch die erste Isolationsschicht und in das Floating-Gate tunneln. Wenn sich das Floating-Gate in diesem geladenen Zustand befindet, werden Daten effektiv gespeichert und der Binärwert der Zelle wird auf null gesetzt. Da das Floating-Gate elektrisch isoliert ist, speichert es den Speicher auch dann, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, wodurch die Speicherzelle nichtflüchtig ist. 

Durch das Anlegen einer ausreichend hohen Spannung an Source und Drain wird eine negative Spannung am Steuer-Gate induziert. Dadurch werden die Floating-Gate-Elektronen zurück in den Kanal entladen, wodurch die Speicherzelle effektiv gelöscht wird. Der Binärwert der Zelle wird auf 1 gesetzt.

Wie viele Bits kann man in 2D NAND speichern?

Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass 2D NAND nicht mehr als ein Bit pro Zelle speichern kann. Der planare Charakter von 2D NAND bedeutet nicht, dass man keine MLC-, TLC- und QLC-Zellen verwenden kann. Er bedeutet einfach nur, dass man diese Zellen nicht stapeln kann.

Hier ein Überblick über die Entwicklung von NAND-Zellen im Laufe der Zeit:

• SLC-Flash (Single-Level Cell): Ein Bit pro Zelle, zwei mögliche Spannungszustände
• MLC-Flash (Multi-Level Cell): Zwei Bits pro Zelle, vier mögliche Spannungszustände
• TLC-Flash (Triple-Level Cell): Drei Bits pro Zelle, acht mögliche Spannungszustände
• QLC-Flash (Quad-Level Cell): Vier Bits pro Zelle, 16 mögliche Spannungszustände

Sie sehen: Je mehr Spannungszustände Sie pro Zelle speichern können, desto mehr Informationen können Sie speichern. Es kommt in der Regel zu einem Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit und Kapazität, wenn man versucht, mehr Spannungszustände zu speichern.

Wie zuverlässig sind 2D NAND bzw. 3D NAND?

Der Unterschied zwischen 2D NAND und 3D NAND besteht darin, dass 2D NAND planar ist, während 3D NAND eine vertikale Stapelung beinhaltet. Der primäre limitierende Faktor für 2D NAND ist die Anzahl der Zellen, die in einer einzigen Ebene auf einem Chip Platz finden. Je kleiner die einzelne Zelle ist, desto mehr Zellen kann man auf einer einzigen Transistorebene unterbringen. Andererseits bedeuten kleinere Zellen eine geringere Zuverlässigkeit, da die Wahrscheinlichkeit von Elektronenlecks steigt. 

Entwickler haben 3D NAND mit dem Ziel entwickelt, die Kapazität der NAND-Chips durch das vertikale Stapeln von Zellen zu verbessern. Da die Zuverlässigkeit abnimmt, je kleiner die Zellen sind, bietet die vertikale Stapelung auch Spielraum für die Verwendung größerer Zellen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit. Das Gesamtergebnis ist eine Steigerung der Kapazität und der Zuverlässigkeit eines NAND-Chips.

Welche SSDs verwenden 2D NAND-Flash?

Die meisten SSDs auf dem Markt verwenden derzeit NAND-Flash. Da es sich bei 2D NAND um eine ältere Technologie handelt, die immer weniger verwendet wird, werben Hersteller nicht mehr dafür, sie in ihren Produkten zu verwenden. Ältere SATA-SSDs, die SLC-Chips verwenden, die nicht als 3D NAND beworben werden, verwenden wahrscheinlich billigeren 2D NAND-Flash. Dennoch eignet sich die Technologie immer noch für Nischenanwendungen. Ältere Anwendungen benötigen möglicherweise noch älteren 2D NAND-Flash, und Mikrogeräte, die nicht viel Speicher benötigen, könnten sich stattdessen für die Performance und Zuverlässigkeit von SLC-Zellen auf einer einzigen Transistorebene entscheiden.

Fazit

In diesem Artikel haben wir beschrieben, was 2D NAND ist und wie es sich von 3D NAND unterscheidet. 2D NAND ist zwar eine ältere Technologie, wird aber immer noch in älterer Hardware als billigere Version von Flash-Speicher und in Nischenanwendungen eingesetzt.