Was ist 3D-NAND und wie funktioniert es?

Was ist 3D-NAND?

3D-NAND wird auch als vertikales NAND (V-NAND) bezeichnet. Es ist eine Art von nichtflüchtigem Flash-Speicher, bei dem die Flash-Speicherzellen in einem Transistorchip vertikal gestapelt sind, um die Storage-Dichte zu erhöhen. Je mehr Schichten von Zellen Sie auf einem einzigen Transistorchip stapeln können, ohne dass die Datenintegrität wesentlich beeinträchtigt wird, desto größer ist die Storage-Dichte.

Wie funktioniert 3D-NAND?

Ein typischer Flash-Speicherchip speichert Daten als Spannungszustände innerhalb einer elektrischen Schaltung. Um zu verstehen, wie 3D-NAND funktioniert, ist es wichtig, zunächst das Innenleben einer NAND-Zelle zu verstehen.

Wofür steht NAND?

NAND steht für „NOT AND“, was sich auf den booleschen Operator oder das Logikgatter bezieht, das die interne Schaltung einer NAND-Zelle steuert. Der NAND-Operator erzeugt nur dann den Wert „FALSCH“, wenn beide Eingänge WAHR sind.

Grundlagen des Flash-Speicherbetriebs

Die einfachste NAND-Zelle ist ein Transistor, der aus zwei Gates besteht:

• Einem Control Gate, das elektrisch mit dem Rest der Schaltung verbunden ist und die Programmierung der Zelle ermöglicht.
• Einem Floating Gate, das von der Schaltung elektrisch isoliert ist, so dass es Ladung ohne Strom speichern kann.

Das Floating Gate ist zwischen zwei Isolationsschichten eingebettet, wobei sich das Control Gate oben und der Kanal zwischen Source- und Drain-Anschluss unten befindet.

Um eine NAND-Zelle zu programmieren, muss eine Spannung an das Control Gate angelegt werden, die es den Elektronen im Kanal ermöglicht, die Schwellenspannung der ersten Isolationsschicht zu überwinden und in das Floating Gate zu tunneln. Wenn das Floating Gate geladen ist, werden Daten effektiv gespeichert und der Binärwert der Zelle wird auf null gesetzt.

Um die Zelle zu löschen, muss eine hohe Spannung an Source und Drain angelegt werden, um eine negative Spannung am Control Gate zu induzieren. Dadurch können die im Floating Gate gefangenen Elektronen durch die untere Isolationsschicht zurück in den Kanal tunneln, wodurch die Zelle effektiv gelöscht und ihr Binärwert auf 1 gesetzt wird.

Warum NAND-Zellen vertikal stapeln?

Mit abnehmender Zellgröße verringert sich auch der Abstand zwischen den Zellen auf einer einzelnen Transistorebene. Dies kann besonders problematisch sein, wenn man bedenkt, dass Flash-Speicher durch das Speichern von Spannungszuständen innerhalb einer einzigen Transistorzelle funktionieren. Elektronen, die aus den Zellen entweichen, wären für eine dauerhafte Speicherung nicht sehr gut. Das vertikale Stapeln von NAND-Zellen in Schichten bietet mehrere Vorteile. Vor allem die Möglichkeit, Transistorzellen so zu verteilen, dass Störungen durch benachbarte Zellen vermieden werden. Dies verbessert die Stabilität und Langlebigkeit der Zelle.

Welche Rolle spielt 3D-NAND in der Entwicklung von Flash?

Die 3D-NAND-Technologie hat wesentlich dazu beigetragen, dass die Branche trotz der physikalischen Beschränkungen bei der Verkleinerung von Zellen mit dem Mooreschen Gesetz Schritt halten konnte. Erhalten Sie hier eine Kurzübersicht darüber, wie sich diese Technologie im Laufe der Zeit weiterentwickelt hat:

• 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

Mit jeder weiteren Generation wird die Anzahl der Bits pro Zelle erhöht, indem die Anzahl der möglichen Spannungszustände verdoppelt wird. Wie Sie sich vorstellen können, erfordert die Komplexität beim Umgang mit mehreren Spannungszuständen auf einer einzigen Zelle eine höhere elektrische Präzision, was zu einer Verringerung der Performance und Langlebigkeit des NAND-Bausteins führen kann.

In der Regel sind SLCs am schnellsten und stabilsten, während QLCs die größte Kapazität bieten. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass dieser Kompromiss zwischen Performance und Langlebigkeit relativ ist. Flash-Speicher sind immer noch um Größenordnungen leistungsfähiger als Festplatten, und während die Technologie besser wird, steigt auch die Stabilität der Zellen auf höherer Ebene. Befürchtungen hinsichtlich der begrenzten Lebensdauer von TLC-NAND wurden im Laufe der Zeit ausgeräumt, sodass moderne Rechenzentren von der hohen Performance, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit von modernem TLC-NAND profitieren können.

Was sind die Vorteile von 3D-NAND?

Nachdem wir die Grundlagen der Funktionsweise von 3D-NAND-Zellen erläutert haben, wollen wir uns nun die Vorteile von 3D-NAND ansehen. Mit 3D-NAND können Sie:

• für mehr Kapazität mehr Flash-Speicherzellen auf einem einzigen Chip unterbringen.
• die räumliche Freiheit nutzen, um Zellen optimal zu platzieren, um dadurch Interferenzen und Elektronenlecks zu vermeiden und somit die Zuverlässigkeit der Zellen zu erhöhen.
• mehr Spannungszustände und damit Bits pro Zelle speichern, für eine noch höhere Kapazität.

Welche Nachteile hat 3D-NAND?

Wie bereits erwähnt, ist es nicht einfach, all diese Spannungszustände zu verwalten. Je mehr Bits in einer Zelle untergebracht werden können, desto größer ist die elektrische Präzision, die erforderlich ist, um Lese- und Schreibvorgänge zuverlässig durchzuführen.

Diese Tatsache äußert sich in den folgenden Nachteilen:

• Höhere Herstellungskosten
• Abwägung zwischen der Kapazität und der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Zelle

Wie zuverlässig ist eine 3D-NAND-SSD?

Im Eins-zu-Eins-Vergleich mit 2D-NAND bietet 3D-NAND eine bessere Performance, höhere Geschwindigkeit, geringeren Stromverbrauche sowie eine längere Lebensdauer und bessere Kosteneffizienz. Andererseits ist zu beachten, dass es auch Architekturen gibt, bei denen 2D-NAND-Schichten in einer MLC-Konfiguration gestapelt werden. Solche Systeme können mit 3D-NAND-Architekturen konkurrieren. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Zuverlässigkeit eines gesamten Storage-Systems von Fall zu Fall zu betrachten, anstatt pauschale Annahmen auf Basis einzelner Komponenten zu treffen.

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