¿Qué es la NAND 2D y cómo funciona?

¿Qué es un SSD 2D NAND?

La NAND 2D, también conocida como NAND planar, es un tipo de memoria flash en la que las celdas de memoria flash se colocan una al lado de la otra en un troquel de transistor. Inicialmente lanzada comercialmente en 1987, 2D NAND proporcionó a las primeras unidades de estado sólido (SSD) un mejor rendimiento, velocidades de lectura/escritura y robustez mecánica que sus contrapartes de unidades de disco duro (HDD), pero a un costo por capacidad premium. La capacidad estaba fundamentalmente limitada por la cantidad de celdas que podía caber una al lado de la otra en un solo plano, lo que provocó el desarrollo de NAND 3D. En este artículo, analizaremos qué es la NAND 2D, cómo funciona y cuán confiable es.

¿Cómo funciona 2D NAND?

La NAND 2D funciona almacenando bits de memoria como estados de voltaje dentro de un circuito eléctrico. Para comprender cómo funciona 2D NAND, es importante primero cubrir algunos conceptos en torno a las celdas NAND.

¿Qué significa NAND en 2D NAND?

NAND significa “NO Y”, y describe la puerta lógica o el operador booleano que se usa en el circuito interno de una celda NAND. Una puerta NAND produce un valor FALSO solo si ambas entradas son VERDADERAS.

¿Qué es exactamente una celda NAND?

Una celda NAND es un transistor que consiste en una puerta de control en la parte superior y una puerta flotante intercalada entre dos capas de aislamiento con una fuente de enlace de canal y un drenaje debajo. 

Aplicar un voltaje a través de la puerta de control atrae electrones en el canal para tunelizar a través de la primera capa de aislamiento y hacia la puerta flotante. Cuando la puerta flotante está en este estado cargado, los datos se almacenan de manera efectiva y el valor binario de la celda se establece en cero. Y debido a que la puerta flotante está aislada eléctricamente, almacenará la memoria incluso cuando se elimine la alimentación, lo que hará que la celda de memoria no sea volátil. 

Aplicar un voltaje lo suficientemente alto a través de la fuente y el drenaje induce un voltaje negativo en la puerta de control. Esto descarga los electrones de la puerta flotante nuevamente en el canal, borrando eficazmente la celda de memoria. El valor binario de la celda se establece en 1.

¿Cuántos bits puede almacenar en 2D NAND?

Es un concepto erróneo común que NAND 2D no puede almacenar más de un bit por celda. La naturaleza plana de la NAND 2D no significa que no pueda usar celdas MLC, TLC y QLC. Solo significa que no puede apilar esas celdas.

A continuación, se presenta una descripción general de la evolución de las celdas NAND a lo largo del tiempo:

• Flash con celda de un solo nivel (SLC, Single-level cell): un bit por celda, dos posibles estados de voltaje.
• Flash con celda multinivel (MLC, Multi-level cell): dos bits por celda, cuatro posibles estados de voltaje.
• Flash con celda de tres niveles (TLC, Triple-level cell): tres bits por celda, ocho posibles estados de voltaje.
• Flash con celda de cuatro niveles (QLC): Cuatro bits por celda, 16 posibles estados de voltaje.

Como puede ver, cuantos más estados de voltaje pueda almacenar por celda, más bits de información podrá almacenar. Hay una compensación general en confiabilidad y capacidad a medida que intenta almacenar más estados de voltaje.

¿Qué tan confiable es 2D NAND frente a 3D NAND?

La diferencia entre 2D NAND y 3D NAND es que 2D NAND es plana, mientras que 3D NAND incorpora el apilamiento vertical. El factor limitante primario para NAND 2D ha sido la cantidad de celdas que puede caber dentro de un solo plano en un chip. Cuanto más pequeña sea la celda, más podrá caber en un solo plano de transistor. Por otro lado, los tamaños de celdas más pequeños reducen la confiabilidad al aumentar la probabilidad de fuga de electrones. 

Los ingenieros crearon 3D NAND para mejorar la capacidad de los chips NAND mediante el apilamiento vertical de celdas. Debido a que pierde confiabilidad a medida que reduce las celdas, el apilamiento vertical también le brinda la posibilidad de usar celdas más grandes para mejorar la confiabilidad. El resultado final es un aumento neto tanto en la capacidad como en la confiabilidad de un chip NAND.

¿Qué SSD usan flash 2D NAND?

La mayoría de las SSD en el mercado actualmente utilizan flash NAND. Debido a que 2D NAND es una tecnología más antigua que actualmente se está eliminando gradualmente, los proveedores ya no anuncian su uso en sus productos. Los SSD SATA más antiguos que utilizan chips SLC que no se anuncian como 3D NAND probablemente utilizan flash 2D NAND más barato. Dicho esto, la tecnología aún tiene sus usos de nicho. Las implementaciones heredadas aún pueden requerir flash 2D NAND más antiguo, y los microdispositivos que no requieren mucha memoria pueden optar por el rendimiento y la confiabilidad de las celdas SLC en un solo plano de transistor.

Conclusiones

En este artículo, analizamos qué es 2D NAND y en qué se diferencia de 3D NAND . Si bien 2D NAND es una tecnología más antigua, aún se utiliza en hardware heredado como una versión más económica de la memoria flash y en casos de uso de nicho.