Che cos'è la tecnologia NAND 3D e come funziona?

Che cos'è la tecnologia NAND 3D?

La tecnologia NAND 3D è nota anche con il nome di NAND verticale (V-NAND). È un tipo di memoria flash non volatile le cui celle presenti in un die di transistor sono sottoposte a stacking verticale per aumentare la densità dello storage. Più sono i livelli di celle impilati in un singolo die di transistor senza compromettere l'integrità dei dati, maggiore sarà la densità dello storage.

Come funziona una memoria NAND 3D?

In un chip di memoria flash i dati vengono archiviati come stati di tensione all'interno di un circuito elettrico. Per capire come funziona una memoria NAND 3D, bisogna prima capire come funziona internamente una cella NAND.

Che cosa significa NAND?

NAND è l'abbreviazione di "NOT AND" e fa riferimento all'operatore booleano o alla porta logica alla base del circuito interno di una cella NAND. L'operatore NAND produce un valore FALSE solo se entrambi gli input sono TRUE.

Principi base del funzionamento di una memoria flash

La cella NAND più semplice è un transistor formato da due porte:

• Una porta di controllo, collegata elettricamente al resto del circuito, che consente di programmare la cella.
• Una porta flottante, isolata elettricamente dal circuito, che consente di accumulare carica senza alimentazione.

La porta flottante è racchiusa tra due livelli di isolamento, con la porta di controllo sopra e la sorgente di collegamento del canale e lo scarico sotto.

Per programmare una cella NAND, è necessario applicare una tensione alla porta di controllo in modo che gli elettroni nel canale superino la tensione di soglia del primo livello di isolamento e attraversino la porta flottante. Quando la porta flottante è in carica, i dati vengono effettivamente memorizzati e il valore binario della cella viene impostato su zero.

Per cancellare la cella, è necessario applicare un'alta tensione alla sorgente e allo scarico per indurre una tensione negativa alla porta di controllo. In questo modo, gli elettroni intrappolati nella porta flottante riattraversano il livello di isolamento inferiore e il canale, cancellando la cella e impostando il valore binario su 1.

Perché le celle NAND sono impilate in verticale?

Diminuendo le dimensioni della cella si riduce anche la distanza tra le celle in un singolo piano di transistor. Questo può essere un problema soprattutto se teniamo presente che la memoria flash funziona memorizzando gli stati di tensione all'interno di una singola cella di transistor. Se gli elettroni fuoriescono dalle celle, la memoria di storage persistente non funzionerebbe correttamente. Lo stacking verticale delle celle NAND offre diversi vantaggi, in primis la possibilità di distanziare le celle sul transistor evitando l'interferenza con quelle adiacenti. In questo modo si migliorano la stabilità e la durata della cella.

Perché la tecnologia NAND 3D è importante nell'evoluzione del flash?

La tecnologia NAND 3D è stata essenziale perché ha permesso di stare al passo con la legge di Moore nonostante i limiti fisici legati al rimpicciolimento delle celle. Ecco una breve panoramica di come questa tecnologia si è evoluta nel tempo:

• Flash con cella a singolo livello (SLC): Un bit per cella, due livelli di tensione possibili
• Flash con cella multilivello (MLC): Due bit per cella, quattro livelli di tensione possibili
• Flash con cella a triplo livello (TLC): Tre bit per cella, otto livelli di tensione possibili
• Flash con cella a quadruplo livello (QLC): Quattro bit per cella, 16 stati di tensione possibili

A ogni nuova generazione, aumenta il numero di bit per cella raddoppiando il numero di stati di tensione possibili. Come si può immaginare, la complessità di gestire più stati di tensione in una singola cella richiede una maggiore precisione elettrica, che può comportare una riduzione delle performance e della durata del dispositivo NAND.

In via generale, i dispositivo SLC sono i più veloci e stabili, mentre quelli QLC offrono la massima capacità. A parte questo, è importante notare che il compromesso tra performance e durata è relativo. La tecnologia flash è ancora per ordini di grandezza più performante degli HDD e più migliora, più aumenta la stabilità delle celle di livello superiore. I limiti di resistenza dei dispositivi NAND TLC sono stati risolti nel tempo, e infatti i data center odierni godono di performance elevate, affidabilità e velocità dei moderni NAND TLC.

Quali sono i vantaggi della tecnologia NAND 3D?

Dopo il funzionamento di base delle celle NAND 3D, vediamo quali sono i vantaggi. La tecnologia NAND 3D consente di:

• Avere più celle di memoria flash in un singolo chip offrendo una maggiore capacità.
• Sfruttare la tridimensionalità per posizionare le celle in modo da renderle più affidabili evitando le interferenze e le perdite di elettroni.
• Memorizzare più stati di tensione, e quindi bit, per singola cella ottenendo una capacità ancora maggiore.

Quali sono gli svantaggi della tecnologia NAND 3D?

Come abbiamo detto prima, gestire tutti questi stati di tensione non è facile. Più bit si possono accumulare per cella, maggiore è la precisione elettrica richiesta per eseguire le operazioni di lettura/scrittura in maniera affidabile.

Ciò comporta degli svantaggi:

• Costi di produzione più alti
• Compromesso tra capacità e affidabilità e durata della cella

Quanto è affidabile un'unità SSD NAND 3D?

Rispetto alla tecnologia NAND 2D, NAND 3D vanta performance, velocità, consumi energetici, resistenza e convenienza migliori. Tuttavia, esistono architetture che utilizzano livelli in stack di tipo NAND 2D in una configurazione MLC. Questi sistemi possono competere con le architetture NAND 3D. Ecco perché è importante guardare all'affidabilità del sistema di storage complessivo caso per caso e non fermarsi ai singoli componenti.

In che modo Pure Storage sfrutta la tecnologia NAND 3D per fornire soluzioni personalizzate

Azienda pioniera nelle soluzioni di storage all-flash, Pure Storage® ha utilizzato la tecnologia NAND 3D per sviluppare array di storage all-flash con costi competitivi rispetto alle unità disco a rotazione tradizionali per varie applicazioni, tra cui:

• FlashArray//X: soluzione Storage Area Network all-flash che sfrutta NAND TLC per fornire block storage a performance elevate per applicazioni Tier 0 e Tier 1.
• FlashArray//C: soluzione di storage all-flash ottimizzata per la capacità che sfrutta il flash QLC per offrire le performance dell'all-flash con un costo per capacità comparabile agli array di storage HDD e ibridi.
• FlashBlade®: soluzione di storage all-flash scale-out con Unified Fast File and Object (UFFO) storage.

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