Wat is 2D NAND en hoe werkt het?

Wat is een 2D NAND SSD?

2D NAND, ook bekend als planaire NAND, is een type flashgeheugen waarbij flashgeheugencellen naast elkaar op een “transistor die” worden geplaatst. 2D NAND, dat in 1987 voor het eerst op de markt werd gebracht, bood de eerste solid-state drives (SSD's) betere prestaties, lees-/schrijfsnelheden en mechanische robuustheid dan hun tegenhangers in harde schijven (HDD's), maar tegen een hogere prijs per capaciteit. De capaciteit werd fundamenteel beperkt door het aantal cellen dat naast elkaar in één vlak kon worden aangebracht, wat de ontwikkeling van 3D NAND op gang bracht. In dit artikel bekijken we wat 2D NAND is, hoe het werkt en hoe betrouwbaar het is.

Hoe werkt 2D NAND?

2D NAND werkt door geheugenbits op te slaan als spanningstoestanden binnen een elektrisch circuit. Om te begrijpen hoe 2D NAND werkt, is het belangrijk om eerst een paar concepten rond NAND-cellen te behandelen.

Wat betekent de NAND in 2D NAND?

NAND staat voor "NOT AND," en beschrijft de logische poort of Booleaanse operator die wordt gebruikt in het interne circuit van een NAND-cel. Een NAND-poort produceert alleen een FALSE-waarde als beide ingangen TRUE zijn.

Wat is een NAND-cel precies?

Een NAND-cel is een transistor bestaande uit een stuurpoort bovenaan en een floating poort ingeklemd tussen twee isolatielagen met daaronder een kanaal dat bron en afleider verbindt. 

Door een spanning over de stuurpoort aan te brengen, worden elektronen in het kanaal aangetrokken om door de eerste isolatielaag te tunnelen en in de floating poort te komen. Wanneer de floating poort in deze geladen toestand is, worden data effectief opgeslagen, en wordt de binaire waarde van de cel op nul gezet. En omdat de floating poort elektrisch geïsoleerd is, slaat hij geheugen op, zelfs als de stroom wordt uitgeschakeld, waardoor de geheugencel niet-vluchtig is. 

Een voldoende hoge spanning over de bron en de aftap induceert een negatieve spanning op de controlepoort. Dit ontlaadt de floating-poortelektronen terug in het kanaal, waardoor de geheugencel effectief wordt gewist. De binaire waarde van de cel wordt op 1 gezet.

Hoeveel bits kun je opslaan in 2D NAND?

Het is een gangbare misvatting dat 2D NAND niet meer dan één bit per cel kan opslaan. De planaire aard van 2D NAND betekent niet dat je geen MLC-, TLC- en QLC-cellen kunt gebruiken. Het betekent alleen dat je die cellen niet kunt stapelen.

Hier is een overzicht van de evolutie van NAND-cellen over de tijd:

• Single-level cell (SLC) flash: Een bit per cel, twee mogelijke spanningstoestanden
• Multi-level cell (MLC) flash: Twee bits per cel, vier mogelijke spanningstoestanden
• Triple-level cell (TLC) flash: Drie bits per cel, acht mogelijke spanningstoestanden
• Quad-level cell (QLC) flash: Vier bits per cel, 16 mogelijke spanningstoestanden

Zoals u ziet, hoe meer spanningstoestanden u per cel kunt opslaan, hoe meer bits aan informatie u kunt opslaan. Er is een algemene afweging in betrouwbaarheid en capaciteit als u meer spanningstoestanden probeert op te slaan.

Hoe betrouwbaar is 2D NAND tegenover 3D NAND?

Het verschil tussen 2D NAND en 3D NAND is dat 2D NAND planair is, terwijl 3D NAND verticale stapeling bevat. De belangrijkste beperkende factor voor 2D NAND is het aantal cellen dat in één vlak op een chip past. Hoe kleiner de cel, hoe meer er op één transistorvlak past. Daar staat tegenover dat kleinere cellen de betrouwbaarheid verminderen doordat de kans op elektronenlekkage toeneemt. 

Ingenieurs creëerden 3D NAND om de capaciteit van de NAND-chips te verbeteren door cellen verticaal te stapelen. Aangezien u aan betrouwbaarheid inboet wanneer u cellen verkleint, geeft verticale stapeling u ook de speelruimte om grotere cellen te gebruiken voor een betere betrouwbaarheid. Het eindresultaat is een netto toename van zowel de capaciteit als de betrouwbaarheid van een NAND-chip.

Welke SSD's gebruiken 2D NAND-flash?

De meeste SSD's op de markt maken momenteel gebruik van NAND-flash. Omdat 2D NAND een oudere technologie is die momenteel geleidelijk wordt afgeschaft, adverteren leveranciers niet langer met het gebruik ervan in hun producten. Oudere SATA SSD's die SLC-chips gebruiken die niet als 3D NAND worden geadverteerd, gebruiken waarschijnlijk goedkopere 2D NAND-flash. Toch heeft de technologie nog haar nichetoepassingen. Voor oudere toepassingen zijn wellicht nog steeds oudere 2D NAND-flashgeheugens nodig, en microapparaten die niet veel geheugen nodig hebben, kiezen wellicht voor de prestaties en betrouwbaarheid van SLC-cellen op een enkel transistorvlak.

Conclusie

In dit artikel hebben we besproken wat 2D NAND is en hoe het verschilt van 3D NAND. 2D NAND is weliswaar een oudere technologie, maar wordt nog steeds gebruikt in oudere hardware als goedkopere versie van flashgeheugen en in nichetoepassingen.