Koniec monopolu Samsunga na trzeci wymiar pamięci flash to początek ery naprawdę tanich SSD

To koniec monopolu Samsunga na trójwymiarowe pamięci NAND flash. W tym tygodniu swoje rozwiązania pokazała Toshiba, a zaledwie kilka godzin później na wspólnej konferencji Intel i Micron przedstawiły szczegóły nowego procesu produkcji 3D NAND. Tańsze, pojemniejsze i szybsze nośniki SSD mogą przyczynić się do tego, że tradycyjne dyski talerzowe całkowicie znikną z komputerów osobistych, zostanie dla nich miejsce tylko w sprzęcie serwerowym.

Wprowadzając w 2013 roku na rynek pierwsze układy trójwymiarowej pamięci NAND, Samsung wysunął się na zdecydowanego lidera w dziedzinie pamięci zewnętrznych. Zastąpienie jednej płaskiej matrycy komórek pamięci wieloma warstwami takich matryc rozwiązało problemy z dalszą miniaturyzacją: rosnąca gęstość upakowania komórek pamięci sprawiała, że materiał izolacyjny stawał się coraz cieńszy i coraz bardziej podatny na uszkodzenia wynikające z kasowania danych. Operacja ta, polegająca na usuwaniu elektronów z bramki pływającej tranzystora polowego, wykorzystuje zjawisko tunelowania, w którym pod działaniem silnego pola elektrycznego elektrony pokonują barierę potencjału.

W pierwszych trójwymiarowych układach pamięci Samsunga, zawierających 24 warstwy, udało się dzięki temu uzyskać ponad dwukrotnie większą gęstość upakowania elementów niż w dwuwymiarowych pamięciach flash, produkowanych w procesie 20 nm. Pomogło w tym nie tylko ułożenie warstw w pionie, ale też pozbycie się pływającej bramki z tranzystora – ładunek elektryczny trafia do tuby z nieprzewodzącej warstwy azotku krzemu, dzięki czemu unika się interferencji między sąsiednimi komórkami pamięci. Dziś Samsungowe czipy flash V-NAND (jak nazywa je firma) dostępne są już w wersjach 32-warstwowych (86 Gbit w kostce) i stosowane m.in. w dyskach SSD z serii EVO.

Przedstawione przez Toshibę rozwiązanie nie jest zwykłą kalką pomysłu Koreańczyków. Już na starcie Japończycy pokazali pamięć składającą się maksymalnie z 48 warstw, o pojemności 128 Gbit (16 GB) Powstające w technologii BiCS (Bit Cost Scalable) pamięci co prawda też pozbywają się tradycyjnej konstrukcji, wykorzystującej pływającą bramkę, ale zastosowany w nich U-kształtny łańcuch komórek pozwalać ma na efektywniejsze upakowanie macierzy. Toshiba chwali się też tym, że swoje rozwiązanie może produkować z użyciem wcześniej stosowanej infrastruktury – Fab2 w Yokkaichi Operations w prefekturze Mie zacznie wytwarzać nowe pamięci najdalej za rok.

Nie wiadomo jeszcze, w jakim procesie ta trójwymiarowa pamięć będzie powstawać. Najpewniej wykorzystany zostanie jeden ze starszych procesów, być może 32 nm. Idąc w trzeci wymiar producenci mogą sobie pozwolić na większy luz w tej kwestii – Samsung, produkujący płaskie układy półprzewodnikowe w procesie 14 nm, swoje układy V-NAND też tworzy w procesie 32 nm.

Kilka godzin po informacji prasowej od Toshiby dotarła do nas informacja od Intela i Microna, działających w ramach partnerstwa IMFT – Intel-Micron Flash Technologies. Firmy te już w listopadzie zeszłego roku pokazały prototyp pamięci 3D NAND, a teraz, możliwe że w odpowiedzi na działania konkurencji. Do tej pory wiedzieliśmy tylko tyle, że pamięć ta składała się z 32 warstw, ale zapewniała bardzo duże pojemności – 256 Gbit (32 GB) dla wersji MLC i aż 384 Gbit (48 GB) dla wersji TLC.

Z nowych informacji wynika, że Intel z Micronem pozostali przy tradycyjnej konstrukcji pływającej bramki, podobno ze względu na problemy natury fizycznej z pułapką ładunku stosowaną przez Samsunga i teraz także Toshibę. Na poniższym obrazku możemy zobaczyć strukturę tej pamięci, choć inżynierowie IMFT nie za bardzo wyjaśnili, co właściwie widzimy. Możemy się domyślać, że fioletowe pręty to kanały pamięci, a zielone to linie słów (WL). Komórki pamięci znajdują się między nimi.

Wytrzymałość komórki pamięci w tej konstrukcji jest szacowana na 3 tys. cykli programowania/kasowania, z czasem ma to kilkukrotnie wzrosnąć. Z przedstawionych wykresów wynika też, że pamięci IMFT powstawać będą w procesie od 35 do 50 nm. Ich produkcja ruszyć ma już w drugiej połowie tego roku, więc korzystający z nich sprzęt zobaczymy pewnie za rok.

Porównanie rozwiązań 3D NAND

Zainteresowana pamięciami 3D NAND jest, z tego co wiadomo, jeszcze jedna, dobrze znana na rynku firma, mianowicie Hynix. Wiemy jedynie, że opracowywana przez nich struktura o nazwie DC-SF ma dalej wykorzystywać pływającą bramkę. Jak widać, w tej kwestii doszło do technicznego podziału, a wybór przez Intela/Microna i Hynixa starszego, bardziej sprawdzonego rozwiązania nie oznacza, że będzie ono z konieczności gorsze niż produkty Toshiby i Samsunga.

Bez względu jednak na szczegóły rozwiązań technicznych, wygląda na to, że flashowe pamięci zewnętrzne o pojemności nawet 1 terabajta mogą w przyszłym roku stać się standardem także i w najtańszych komputerach. Pójście w trzeci wymiar zbliża nas bowiem do osiągnięcia gęstości w dolarach na gigabajt zbliżonych do wyników zbliżonych do montowanych wciąż w komputerach dysków talerzowych.