Wat is 3D NAND en hoe werkt het?

Wat is 3D NAND?

3D NAND wordt ook wel verticale NAND (V-NAND) genoemd. Het is een type niet-vluchtig flashgeheugen waarbij de flashgeheugencellen in een transistormatrijs verticaal worden gestapeld om de opslagdichtheid te vergroten. Hoe meer cellagen op een enkele transistor kunnen worden gestapeld zonder de dataintegriteit aanmerkelijk aan te tasten, hoe groter de opslagdichtheid zal zijn.

Hoe werkt 3D NAND?

Een typische flashgeheugenchip werkt door data op te slaan als spanningstoestanden binnen een elektrisch circuit. Om te begrijpen hoe 3D NAND werkt, is het belangrijk eerst de inwendige werking van een NAND-cel te begrijpen.

Waar staat NAND voor?

NAND staat voor "NOT AND", en verwijst naar de Booleaanse operator of logische poort die de interne schakeling van een NAND-cel regelt. De NAND-operator produceert alleen een FALSE-waarde als beide ingangen TRUE zijn.

Basisbeginselen van de werking van flashgeheugen

De meest elementaire NAND-cel is een transistor die bestaat uit twee poorten:

• Een stuurpoort, die elektrisch verbonden is met de rest van de schakeling, waardoor de cel kan worden geprogrammeerd.
• Een floating poort, die elektrisch geïsoleerd is van de stroomkring, waardoor hij lading kan opslaan zonder stroom.

De floating poort is ingeklemd tussen twee isolatielagen met de stuurpoort bovenop en daaronder een kanaal dat bron en afleider verbindt.

Om een NAND-cel te programmeren, moet een spanning op de stuurpoort worden gezet, waardoor elektronen in het kanaal de drempelspanning van de eerste isolatielaag kunnen overwinnen en naar de floating poort kunnen tunnelen. Wanneer de floating poort geladen is, worden data effectief opgeslagen, en wordt de binaire waarde van de cel op nul gezet.

Om de cel te wissen, moet een hoge spanning over de bron en de afleider worden aangelegd om een negatieve spanning op de stuurpoort te induceren. Hierdoor kunnen de elektronen die in de floating poort gevangen zitten, over de onderste isolatielaag terugtunnelen in het kanaal, waardoor de cel effectief wordt gewist en de binaire waarde op 1 wordt gezet.

Waarom NAND-cellen verticaal stapelen?

Naarmate de celgrootte afneemt, neemt ook de afstand tussen cellen op een enkel transistorvlak af. Dit kan vooral problematisch zijn wanneer men bedenkt dat flashgeheugen werkt door spanningstoestanden op te slaan in een enkele transistorcel. Elektronen die uit de cellen lekken, zouden niet erg goed zijn voor een permanente geheugenopslag. Het verticaal stapelen van NAND-cellen in lagen biedt verscheidene voordelen, met name de mogelijkheid om transistorcellen te spreiden om interferentie van aangrenzende cellen te voorkomen. Dit verbetert de stabiliteit en de levensduur van de cel.

Waar past 3D NAND in de evolutie van flash?

3D NAND-technologie heeft een belangrijke rol gespeeld in de ondersteuning van de industrie om gelijke tred te houden met de Wet van Moore, ondanks de fysieke beperkingen om cellen kleiner te maken. Hier is een kort overzicht van hoe de technologie in de loop van de tijd is geëvolueerd:

• 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

Bij elke volgende generatie wordt het aantal bits per cel verhoogd door het aantal mogelijke spanningstoestanden te verdubbelen. Zoals u zich wellicht kunt voorstellen, vereist de complexiteit van de omgang met meerdere spanningstoestanden op één enkele cel een grotere elektrische precisie, die zich kan vertalen in een vermindering van de prestaties en de levensduur van het NAND-apparaat.

Als algemene regel geldt dat SLC's het snelst en het meest stabiel zijn, terwijl QLC's u de grootste capaciteit kunnen bieden. Dit gezegd zijnde, is het belangrijk op te merken dat deze afweging tussen prestaties en uithoudingsvermogen relatief is. Flash is nog steeds ordes van grootte performanter dan HDD's, en naarmate de technologie verbetert, neemt ook de stabiliteit van de cellen op hoger niveau toe. De vrees voor duurzaamheidsbeperkingen van TLC NAND werd na verloop van tijd weggenomen, waardoor datacenters van vandaag kunnen profiteren van de hoge prestaties, betrouwbaarheid en snelheid van moderne TLC NAND.

Wat zijn de voordelen van 3D NAND?

Nu we de basis hebben behandeld van hoe 3D NAND-cellen werken, laten we eens kijken naar de voordelen die 3D NAND biedt. 3D NAND stelt u in staat om:

• Meer flashgeheugencellen op een enkele chip te plaatsen voor een grotere capaciteit.
• Te profiteren van de dimensionale vrijheid om cellen optimaal te plaatsen om interferentie en elektronenlekken te voorkomen voor een grotere betrouwbaarheid van de cellen.
• Meer spanningstoestanden, en dus bits, op te slaan per afzonderlijke cel voor een nog grotere capaciteit.

Wat zijn de nadelen van 3D NAND?

Zoals we al eerder zeiden, is het beheren van al die spanningstoestanden niet gemakkelijk. Hoe meer bits je per cel kunt proppen, hoe groter de elektrische precisie die nodig is om lees-/schrijfbewerkingen betrouwbaar uit te voeren.

Deze realiteit manifesteert zich als de volgende nadelen:

• Hogere productiekosten
• Afweging tussen capaciteit en de betrouwbaarheid en levensduur van de cel

Hoe betrouwbaar is 3D NAND SSD?

In een één-op-één vergelijking met 2D NAND kan 3D NAND bogen op betere prestaties, snelheid, stroomverbruik, duurzaamheid en kostenefficiëntie. Anderzijds moet worden opgemerkt dat er architecturen bestaan die gebruik maken van het stapelen van lagen 2D NAND in MLC-configuratie. Dergelijke systemen kunnen concurreren met 3D NAND-architecturen. Daarom is het belangrijk om de betrouwbaarheid van een totaal opslagsysteem van geval tot geval te bekijken in plaats van algemene veronderstellingen te maken op basis van componenten alleen.

Hoe Pure Storage 3D NAND gebruikt om oplossingen op maat voor uw behoeften te leveren

Als pionier op het gebied van all-flash-opslagoplossingen heeft Pure Storage® vertrouwd op 3D NAND-technologie om krachtige all-flash-opslagarrays te ontwikkelen die voor een aantal toepassingen kunnen concurreren met de kosten van traditionele draaiende schijven. Deze bevatten:

• FlashArray//X: Een all-flash-opslaggebiedsnetwerk dat gebruikmaakt van TLC NAND om high-performance blockstorage te bieden voor Tier 0- en Tier 1-toepassingen.
• FlashArray//C: Een voor capaciteit geoptimaliseerde all-flash-opslagoplossing die gebruikmaakt van QLC-flash om all-flash-prestaties te leveren tegen een prijs per capaciteit die vergelijkbaar is met die van hybride- en HDD-opslagarrays.
• FlashBlade®: Een schaalbare all-flash-opslagoplossing die Unified Fast File and Object (UFFO) opslag biedt.

Klaar om uw dataopslag te versnellen met het enorme parallellisme en de snelheid van 3D NAND-opslag? Ontdek hoe Pure Storage-producten en -oplossingen u kunnen helpen met uw datacenterbehoeften.