×
От плоскости к 3D: эволюция твердотельной памяти от SanDisk

В настоящее время рост объемов информации, вызванный широким распространением фото- и видеокамер сверхвысокого разрешения 4К и других устройств, позволяющих рядовым пользователям генерировать огромное количество контента, ставит ряд серьезных проблем перед производителями памяти. С одной стороны, потребители нуждаются во все больших объемах памяти на всех уровнях: в своих смартфонах и планшетах, домашних компьютерах и ноутбуках, в облачных хранилищах и на серверах. С другой - растут требования к скорости доступа и рабочему ресурсу накопителей.



С момента принятия первого стандарта для микросхем памяти NAND в 2006 г. компания SanDisk идет в авангарде технологического прогресса, регулярно предлагая новинки, открывающие новые, более широкие возможности для пользователей портативных компьютеров, смартфонов, цифровых фотоаппаратов, плееров и других персональных устройств.



Уже в начале 2007 года были представлены первые SSD-накопители емкостью 32 Гб на базе микросхем NAND для ноутбуков в форматах 1,8 и 2,5 дюйма. В том же году мы представили и первую микросхему стандарта iNAND - собственную разработку компании, которая за счет усовершенствованного управления флеш-памятью увеличила скорость случайного считывания вдвое, а последовательного - вчетверо. Первая микросхема iNAND имела емкость 8 Гб, а уже в 2008 г. вместимость микросхемы iNAND в стандартном корпусе 12 х 16 мм была удвоена до 16 Гб за счет внедрения технологии MLC (multi-level cell), позволяющей программировать по 2 бита информации в каждую ячейку кристалла.



В 2009 г. SanDisk начинает поставку первых в мире карт памяти емкостью до 256 Гб, изготовленных по технологии NAND 64 Гбит X2 (2 бита на ячейку), позволяющей хранить 4 бита данных в каждой ячейке, что удваивает емкость по сравнению с MLC.



В авангарде технологий



По итогам 2014 года SanDisk совместно со стратегическим партнером Toshiba занимали более 40% мирового рынка твердотельной памяти. Наше технологическое лидерство среди прочего обусловлено еще и тем, что SanDisk обладает полным циклом производства твердотельных накопителей: от исследований и разработок до производства полупроводников и сборки конечных изделий: SSD-накопителей, USB-флешек, карт памяти и встраиваемых модулей памяти для мобильных устройств. А партнерство с гигантом Toshiba расширяет доступ к новейшим технологиям производства чипов MLC и TLC NAND.



Среди наших новейших продуктов - микросхемы iNAND 7132 и iNAND 7232, обеспечивающие исключительные показатели при работе самых ресурсоемких приложений, в частности, способных поддерживать фотосъемку в формате RAW со скоростью до 3 кадров в секунду и запись/воспроизведение видеоразрешения 4K. Технология nCache, применяемая в современных чипах MLC и TLC от SanDisk, обеспечивает кэширование операций записи на выделенной части микросхемы, работающей в режиме псевдо-SLC. Это позволяет дополнительно повысить производительность и снизить коэффициент усиления сигнала при записи, повышая ресурс микросхемы. Архитектура SanDisk iNAND Accelerator с технологией SmartSLC, поддерживающей высокую производительность для ресурсоемких приложений, обеспечивает скорость последовательной записи до 150 Мб/с.



Еще больше, еще быстрее!



Все прошедшее десятилетие снижение стоимости и увеличение плотности записи микросхем происходило как за счет повышения разрядности ячеек, так и через миниатюризацию техпроцесса производства. Один из самых быстрых дисков 2013-2014 годов, флагманский SSD от SanDisk Extreme Pro построен на базе микросхем MLC NAND 2-го поколения, выполненных по техпроцессу 19 нм, что позволило добиться плотности упаковки информации 64 Гбит на кристалл.



Но уже при использовании техпроцесса 20 нм все разработчики флеш-памяти сталкиваются с проблемой перетекания заряда между соседними ячейками, что приводит к возникновению ошибок при записи. Выявление и исправление этих ошибок негативно сказывается на быстродействии систем, что накладывает ограничение на дальнейшую миниатюризацию в направлении техпроцесса 10 нм. Играет роль и экстремальное снижение толщины слоя оксида кремния, не превышающей на современных микросхемах NAND 10 нм. Этот слой постепенно разрушается при каждой подаче напряжения на ячейку памяти, что крайне неблагоприятно сказывается на ресурсе микросхем. Эти и другие факторы стали серьезной преградой для дальнейшего удешевления и увеличения емкости SSD-дисков и памяти для мобильных устройств.



Выходим из плоскости



Будучи лидером отрасли, SanDisk нашел выход из создавшегося тупика. Сегодня мы находимся в самом начале нового витка эволюции, который получил название 3D NAND. Эта технология разработана специально, чтобы снизить себестоимость и увеличить плотность хранения флеш-памяти в условиях, когда дальнейшее уплотнение в одной плоскости сопряжено с большими проблемами.



Технология 3D NAND - это не просто склеивание "бутерброда" из нескольких кристаллов, а многослойное размещение ячеек памяти внутри одного кристалла. Переход от "плоской" архитектуры к 3D прекратил гонку миниатюризации и разрешил вернуться к более надежным и дешевым техпроцессам. Это, в свою очередь, позволило увеличить не только размеры ячеек, но и расстояния между ними, снизив влияние электромагнитных сил и сняв проблему снижения ресурса чипов.



Свою первую разработку в области 3D NAND, получившую название BiCS (bit cost scalable), мы завершили в 2014 году, а в марте 2015 г. была представлена 3D NAND второго поколения - BiCS2, а количество слоев в микросхеме было увеличено до 48, что превосходит все имеющиеся на рынке решения.



Как и традиционная 2D-технология, 3D NAND позволяет использовать различные варианты упаковки: 1, 2 или 3 бита на ячейку памяти, открывая дополнительные возможности для масштабирования объемов хранилища. Разработанная SanDisk 3-битная технология (X3) позволяет достичь плотности записи до 128 гигабит (16 Гб) и более на чип. Уже в начале августа было объявлено о создании первого в мире 48-слойного 3-битного 3D NAND-чипа с плотностью записи 256 гигабит и начале его пилотного производства на совместном с Toshiba предприятии в Йоккаичи (Япония). Коммерческое производство микросхем начнется уже в 2016 году.



Технология BiCS открывает новые перспективы повышения плотности записи, производительности, энергоэффективности и надежности для всех устройств на основе флеш-памяти. Цена 1 Гб памяти, реализованной по технологии 3D NAND, заметно ниже, чем у нынешнего фаворита - 15-нанометровой технологии 1Z, представленной SanDisk в 2014 году. Более того, мы уверены, что 3D NAND-архитектура позволит нам создать доступные SSD-диски, которые уже в 2017 году смогут конкурировать по емкости и стоимости с классическими HDD во всех мобильных и настольных компьютерах, открыв новую страницу истории ПК.



Контроллеры



Важнейший компонент NAND-памяти - специализированный контроллер, на который возлагается все работа по обслуживанию микросхемы: преобразование интерфейсов и протоколов, виртуализация адресации для обхода сбойных ячеек, проверка и восстановление данных при чтении, забота о разном размере блоков стирания и записи, периодическое обновление записанных блоков, равномерное распределение нагрузки на секторы при записи.



От качества контроллера зависят многие эксплуатационные характеристики модулей. Простые контроллеры, часто используемые в дешевых картах памяти и USB-флешках, не обеспечивают оптимизацию записи, что может привести к быстрому выходу микросхемы из строя. Именно поэтому при необходимости частой перезаписи рекомендуется использовать качественные изделия именитых брендов.



Качественные и дорогие NAND-контроллеры берут на себя также и "ускорение" микросхем за счет распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Чтение и запись при этом идут в несколько потоков, что значительно ускоряет процесс. Как один из ведущих производителей NAND-микросхем, SanDisk уделяет огромное внимание разработке и производству контроллеров. Огромный опыт и передовые производственные возможности позволяют нам создавать идеальные связки контроллер-чип iNAND, добиваясь максимального использование потенциала технологии в плане быстродействия, надежности и ресурса.