¿Qué es la 3D NAND y cómo funciona?

¿Qué es la 3D NAND?

La 3D NAND también se conoce como NAND vertical (V-NAND). Es un tipo de memoria flash no volátil en la que las celdas de memoria flash de una pastilla de transistores se apilan verticalmente para aumentar la densidad de almacenamiento. Cuantas más capas de celdas se pueden apilar en una pastilla de transistores sin comprometer de manera importante la integridad de los datos, mayor será la densidad de almacenamiento.

¿Cómo funciona la 3D NAND?

Un chip de memoria flash típico funciona almacenando datos como estados de voltaje dentro de un circuito eléctrico. Para entender cómo funciona la 3D NAND, es importante comprender primero el funcionamiento interno de una celda NAND.

¿Qué significa el término NAND?

La palabra NAND significa “NOT AND” (no sí) y se refiere al operador booleano o puerta lógica que controla el circuito interno de una celda NAND. El operador NAND produce un valor FALSO solo si ambas entradas son VERDADERAS.

Conceptos básicos del funcionamiento de la memoria flash

La celda NAND más básica es un transistor compuesto de dos puertas:

• Una puerta de control, que está conectada eléctricamente al resto del circuito y que permite programar la celda.
• Una puerta flotante, que está aislada eléctricamente del circuito, lo que le permite almacenar carga sin alimentación eléctrica.

La puerta flotante está intercalada entre dos capas de aislamiento, con la puerta de control en la parte de arriba y la fuente de enlace de canal y el drenaje en la parte de abajo.

Para programar una celda NAND, hay que aplicar un voltaje a la puerta de control, que permite que los electrones del canal superen el umbral de voltaje de la primera capa de aislamiento y se abran paso a través de la puerta flotante. Cuando la puerta flotante está cargada, los datos se almacenan de manera efectiva y el valor binario de la celda se establece en cero.

Para borrar la celda, hay que aplicar un alto voltaje en la fuente y el drenaje, para provocar un voltaje negativo en la puerta de control. Esto permite que los electrones retenidos en la puerta flotante vuelvan a pasar por la capa de aislamiento inferior hacia el canal, borrando de manera efectiva la celda y estableciendo su valor binario en 1.

¿Por qué se apilan verticalmente las celdas NAND?

A medida que se reduce el tamaño de una celda, también lo hace la distancia entre las celdas de un plano de transistores. Esto puede ser especialmente problemático si tenemos en cuenta que la memoria flash funciona almacenando estados de voltaje en una celda de transistor, por lo tanto, no sería muy bueno para el almacenamiento de memoria persistente que hubiera electrones que se filtraran desde las celdas. El hecho de apilar verticalmente en capas las celdas NAND ofrece varias ventajas, en particular la capacidad de espaciar las celdas de transistor para evitar las interferencias de las celdas adyacentes. Esto mejora la estabilidad y la longevidad de la celda.

¿En qué fase de la evolución de la memoria flash se sitúa la 3D NAND?

La tecnología 3D NAND ha contribuido de manera muy importante a que la industria pueda mantener el ritmo de la Ley de Moore, a pesar de las limitaciones físicas para reducir el tamaño de las celdas. Aquí tiene un breve resumen de cómo ha evolucionado la tecnología con el tiempo:

• Flash de celda de un solo nivel (single-level cell o SLC): un bit por celda y dos estados de voltaje posibles.
• Flash de celda multinivel (multi-level cell o MLC): dos bits por celda y cuatro estados de voltaje posibles.
• Flash de celda de nivel triple (triple-level cell o TLC): tres bits por celda y ocho estados de voltaje posibles.
• Flash de celda de nivel cuádruple (quad-level cell o QLC): cuatro bits por celda y 16 estados de voltaje posibles.

Con cada nueva generación aumenta el número de bits por celda al duplicarse el número de estados de voltaje posibles. Como puede imaginarse, la complejidad de gestionar múltiples estados de voltaje en una sola celda exige una gran precisión eléctrica, lo que puede implicar una reducción del rendimiento y de la longevidad del dispositivo NAND.

Por lo general, las SLC son las más rápidas y las más estables, mientras que las QLC pueden proporcionar la mayor capacidad. Dicho esto, es importante destacar que esta contraposición entre rendimiento y resistencia es relativa. La memoria flash sigue ofreciendo un rendimiento muchísimo mayor que las unidades de disco duro y a medida que la tecnología mejora, también lo hace la estabilidad de las celdas de más niveles. Con el tiempo, se han disipado los temores relacionados con los límites de resistencia de la TLC NAND, lo que permite que los centros de datos actuales disfruten del alto rendimiento, la fiabilidad y la velocidad de la moderna memoria TLC NAND.

¿Cuáles son las ventajas de la 3D NAND?

Ahora que ya hemos visto los aspectos básicos del funcionamiento de las celdas 3D NAND, ha llegado el momento de centrarnos en sus ventajas. La 3D NAND le permite:

• Meter más celdas de memoria flash en un solo chip, para lograr una mayor capacidad.
• Aprovechar la libertad en cuanto a dimensiones, para colocar de manera óptima las celdas y evitar las interferencias y las fugas de electrones, para que las celdas sean más fiables.
• Almacenar más estados de voltaje, y por lo tanto más bits, por celda individual, para conseguir una capacidad aún mayor.

¿Cuáles son los inconvenientes de la 3D NAND?

Tal como hemos mencionado anteriormente, no es nada sencillo gestionar todos esos voltajes. Cuantos más bits se meten en una celda, más precisión eléctrica se necesita para realizar de manera fiable las operaciones de lectura/escritura.

Esto se traduce en las siguientes desventajas:

• Mayores costes de fabricación.
• Contraposición entre la capacidad y la fiabilidad y la longevidad de la celda.

¿Cuál es la fiabilidad de una unidad de estado sólido 3D NAND?

Comparada con la 2D NAND, la 3D NAND ofrece más rendimiento y velocidad, un mejor consumo de energía, más resistencia y una mayor rentabilidad. Por otro lado, cabe señalar que existen arquitecturas que utilizan capas apiladas de 2D NAND con una configuración MLC. Estos sistemas pueden competir con las arquitecturas 3D NAND. Por este motivo, es importante ver caso por caso cuál es la fiabilidad de un sistema de almacenamiento completo, en lugar de hacer suposiciones generales basadas solo en los componentes.

Cómo aprovecha Pure Storage la 3D NAND para ofrecerle soluciones adaptadas a sus necesidades

Como empresa pionera en el campo de las soluciones de almacenamiento totalmente flash, Pure Storage® se ha basado en la tecnología 3D NAND para desarrollar potentes cabinas de almacenamiento totalmente flash que pueden competir con los costes de las unidades de disco rotatorio tradicionales en numerosas aplicaciones. Estas incluyen:

• FlashArray//X: una red de área de almacenamiento totalmente flash, que utiliza la TLC NAND para proporcionar almacenamiento de bloques de alto rendimiento para las aplicaciones de Nivel 0 y Nivel 1.
• FlashArray//C: una solución de almacenamiento totalmente flash optimizada para la capacidad, que utiliza la flash QLC para proporcionar un rendimiento totalmente flash con un coste por capacidad comparable al de las cabinas de almacenamiento híbridas y de disco duro.
• FlashBlade®: una solución de almacenamiento totalmente flash escalable horizontalmente, que proporciona almacenamiento unificado y rápido de archivos y objetos (UFFO).

¿Está preparado para acelerar su almacenamiento de datos con el paralelismo masivo y la velocidad del almacenamiento 3D NAND? Descubra de qué modo los productos y las soluciones de Pure Storage pueden ayudarle con las necesidades de su centro de datos.