¿Qué es 3D NAND y cómo funciona?

¿Qué es 3D NAND?

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 en un troquel de transistor se apilan verticalmente para aumentar la densidad de almacenamiento. Cuantos más capas de celdas pueda apilar en un solo troquel de transistor sin comprometer significativamente la integridad de los datos, mayor será su densidad de almacenamiento.

¿Cómo funciona 3D NAND?

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

¿Qué significa NAND?

NAND significa “NO Y”, que se refiere al operador booleano o a la puerta lógica que rige el circuito interno de una celda NAND. El operador NAND produce un valor FALSO solo si ambas entradas son VERDADERAS.

Aspectos básicos del funcionamiento de la memoria flash

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

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

La puerta flotante está intercalada entre dos capas de aislamiento, con la puerta de control en la parte superior y la fuente de conexión del canal y el drenaje debajo.

Para programar una celda NAND, se debe aplicar un voltaje a la puerta de control, lo que permite que los electrones en el canal superen el voltaje umbral de la primera capa de aislamiento y el túnel hacia la puerta flotante. Cuando se carga la puerta flotante, los datos se almacenan de manera efectiva y el valor binario de la celda se establece en cero.

Para borrar la celda, se debe aplicar un alto voltaje a través de la fuente y el drenaje para inducir un voltaje negativo en la puerta de control. Esto permite que los electrones atrapados en la puerta flotante vuelvan a tunelizar a través de la capa de aislamiento inferior en el canal, borrando eficazmente la celda y estableciendo su valor binario en 1.

¿Por qué apilar celdas NAND verticalmente?

A medida que el tamaño de las celdas disminuye, también lo hace la distancia entre las celdas en un solo plano de transistor. Esto puede ser especialmente problemático cuando considera que la memoria flash funciona al almacenar estados de voltaje dentro de una sola celda de transistor. Las fugas de electrones fuera de las celdas no serían muy buenas para el almacenamiento de memoria persistente. Apilar las celdas NAND verticalmente en capas ofrece varias ventajas, especialmente la capacidad de separar las celdas de transistores para evitar la interferencia de las celdas adyacentes. Esto mejora la estabilidad y longevidad de la celda.

¿Dónde encaja 3D NAND en la evolución de flash?

La tecnología 3D NAND ha desempeñado un papel importante en ayudar a la industria a seguir el ritmo de la ley de Moore a pesar de las limitaciones físicas de hacer que las celdas sean más pequeñas. La siguiente es una breve descripción sobre la evolución de la tecnología a lo largo del tiempo:

• Flash de celda de nivel único (SLC): un bit por celda, dos posibles estados de voltaje.
• Flash de celda multinivel (MLC): dos bits por celda, cuatro posibles estados de voltaje.
• Flash de celda de tres niveles (TLC): tres bits por celda, ocho posibles estados de voltaje.
• Flash de celda de cuatro niveles (QLC): Cuatro bits por celda, 16 posibles estados de voltaje.

Con cada generación posterior, aumenta la cantidad de bits por celda al duplicar la cantidad de posibles estados de voltaje. Como puede imaginar, la complejidad de lidiar con varios estados de voltaje en una sola celda requiere una mayor precisión eléctrica, lo que puede traducirse en una reducción en el rendimiento y la longevidad del dispositivo NAND.

Como regla general, los SLC son los más rápidos y estables, mientras que los QLC pueden brindarle la mayor capacidad. Dicho esto, es importante tener en cuenta que esta compensación entre el rendimiento y la resistencia es relativa. Flash sigue siendo un orden de magnitud más eficaz que los HDD, y a medida que la tecnología mejora, también lo es la estabilidad de las celdas de mayor nivel. Los temores a las limitaciones de resistencia de TLC NAND se abordaron con el paso del tiempo, lo que permitió que los centros de datos actuales disfrutaran del alto rendimiento, la confiabilidad y la velocidad de TLC NAND moderno.

¿Cuáles son los beneficios de 3D NAND?

Ahora que hemos analizado los conceptos básicos de cómo funcionan las celdas 3D NAND, veamos las ventajas que ofrece 3D NAND. 3D NAND le permite:

• Coloque más celdas de memoria flash en un solo chip para una mayor capacidad.
• Aproveche la libertad dimensional para colocar las celdas de manera óptima para evitar interferencias y fugas de electrones para una mayor confiabilidad de las celdas.
• Almacene más estados de voltaje y, por lo tanto, bits por celda individual para una capacidad aún mayor.

¿Cuáles son las desventajas de 3D NAND?

Como mencionamos anteriormente, administrar todos esos estados de voltaje no es fácil. Cuantos más bits pueda cram por celda, mayor será la precisión eléctrica necesaria para realizar operaciones de lectura/escritura de manera confiable.

Esta realidad se manifiesta como las siguientes desventajas:

• Mayores costos de fabricación
• Compensación entre la capacidad y la confiabilidad y longevidad de la celda

¿Qué tan confiable es el SSD 3D NAND?

En una comparación personalizada con 2D NAND , 3D NAND ofrece un mejor rendimiento, velocidad, consumo de energía, resistencia y rentabilidad. Por otro lado, debe tenerse en cuenta que existen arquitecturas que emplean capas de apilamiento de NAND 2D en la configuración MLC. Dichos sistemas pueden competir con arquitecturas 3D NAND. Es por eso que es importante observar la confiabilidad de un sistema de almacenamiento total caso por caso en lugar de hacer suposiciones generales basadas solo en componentes.

Cómo Pure Storage aprovecha 3D NAND para ofrecer soluciones personalizadas para sus necesidades

Como pionero en soluciones de almacenamiento basado íntegramente en tecnología flash, Pure Storage ® ha confiado en la tecnología 3D NAND para desarrollar potentes matrices de almacenamiento basado íntegramente en tecnología flash que puedan competir con los costos de las unidades de disco giratorio tradicionales para varias aplicaciones. Entre ellas se incluyen:

• FlashArray//X: Una red de área almacenamiento basado íntegramente en tecnología flash que aprovecha TLC NAND para proporcionar almacenamiento en bloque de alto rendimiento para aplicaciones de Nivel 0 y Nivel 1.
• FlashArray//C: Una solución de almacenamiento basado íntegramente en tecnología flash con capacidad optimizada que aprovecha el flash QLC para ofrecer un rendimiento basado íntegramente en tecnología flash a un costo por capacidad comparable con las matrices de almacenamiento híbrido y HDD.
• FlashBlade®: Una solución de almacenamiento basado íntegramente en tecnología flash con escalabilidad horizontal que ofrece almacenamiento unificado rápido de objetos y archivos (UFFO).

¿Está listo para acelerar su almacenamiento de datos con el paralelismo masivo y la velocidad del almacenamiento 3D NAND? Vea cómo los productos y las soluciones de Pure Storage pueden ayudarlo con las necesidades de su centro de datos.