Ewolucja pamięci Flash

Ewolucja pamięci Flash sięga korzeniami do schyłku XX wieku, kiedy to skonstruowane zostały jej dwa podstawowe typy, NOR oraz NAND.

Wprowadzenie architektury NAND Flash do użytku przez firmę Toshiba w 1989 roku było działaniem napędzającym dalszy rozwój tej technologii. Zagwarantowało jej ekspansję na rynek przemysłowy. Wiele się od tamtego momentu zmieniło. Postęp w tej dziedzinie pozwala na śmiałe stwierdzenie o odkryciu nowego wymiaru pamięci- 3D NAND Flash.

W wyniku zapotrzebowania na większe pojemności i szybsze prędkości firma KIOXIA (wcześniej Toshiba) zdecydowała się na przesunięcie dotychczasowych granic strukturalnych. Jako pierwsza na świecie obok technologii SLC, MLC i TLC wprowadziła technologię pamięci 3D NAND. Miało to miejsce w w 2007 roku.

Wcześniej, w celu zwiększenia pojemności przeprowadzano proces miniaturyzacji komórek pamięci. Koncepcja polegała na maksymalnym zmniejszeniu obszaru zajmowanego przez pojedynczą komórkę, tak aby jak najwięcej z nich można było zamontować na jednej kości pamięci Flash. Istniało jednak ryzyko, że zmniejszenie rozmiaru komórek spowodowałoby wycieki elektronów, co miałoby wówczas wpływ na integralność danych. W obliczu powstałych ograniczeń nasunęło się logiczne rozwiązanie, aby zwiększyć liczbę komórek pamięci przypadających na obszar poprzez ich pionowe ułożenie. Rozwiązanie to można porównać do parterowego domku jednorodzinnego z wysokim apartamentowcem. Na tej samej działce domek może pomieścić 10 osób, jednak wysoki budynek o 64 piętrach zapewni przestrzeń mieszkalną dla 640 osób. W ten oto właśnie sposób i przekształcenia powstała pamięć 3D NAND (znana również jako wertykalny NAND).

Rodzina BiCS 3D NAND od Kioxii

Rodzina przemysłowego 3D NAND w Kioxii rozpoczęła się od 64-warstwowego BiCS3. Wprowadzenie produktu na rynek wywołało niemałą dysputę u potencjalnych klientów. Wynikała ona z słusznego uprzedzenia co do mniejszej efektywności technologii TLC NAND w użyciu niż w przypadku konkurencji.

Produkt TLC udoskonalony w 3D okazał się być jednak strzałem w dziesiątkę. BiCS3 pochwyciło upragnioną uwagę klientów głównie za sprawą atrakcyjniejszych cen względem konkurencyjnego MLC. Tym samym technologia 3D TLC zaskarbiła sobie nie tylko portfele klientów, ale także stabilne miejsce na rynku przemysłowym i gwarancję dalszej ekspansji.

BiCS4 wszedł na rynek przemysłowy ze swoimi 96 warstwami w 2020 roku. Czasy były jednak niepewne i burzliwe – pandemia i brak komponentów nie ułatwiały penetracji rynku. Ponadto fakt, że BiCS4 nie obsługiwał zakresu temperatur od -40°C do +85°C, nie pomógł mu zdobyć większego rozgłosu wśród klientów przemysłowych i przekonać producentów do odejścia od BiCS3. Ostatecznie większość zdecydowała się poczekać na kolejny krok naprzód w technologii wertykalnej. Nastąpiło to w stosunkowo niedługim czasie, bo już w 2021 roku pojawił się BiCS5. Zadomowił się w rodzinie 3D TLC NAND firmy Kioxia ze swoimi 112 warstwami w jednym chipie. Wersja przemysłowa nie tylko obsługuje temperatury robocze od 0°C do +70°C, ale także od -40°C do +85°C. Gwarantuje 3,000 cykli programowania i kasowania tak jak jej poprzednicy.

Czy BiCS5 jest trafnym wyborem dla każdego?

Analiza produktów linii BiCS oraz określającej je technologii 3D NAND sprowadza się do pytania: Czy korzyści znacznie przewyższają koszty związane z przejściem przez proces testowania nowego komponentu? Aby na nie odpowiedzieć, warto przyjrzeć się indywidualnym potrzebom w zakresie pamięci masowej. Co jeśli obecna platforma wymaga CompactFlash, PATA SSD lub IDE-DOM? Należy pamiętać o tym, że starsze kontrolery nie obsługują pamięci 3D NAND Flash. Jeśli nie ma potrzeby ogólnej aktualizacji aplikacji i przejścia na SATA lub PCIe, to nie ma wymogu decydowania się na BiCS5.

3D TLC nie jest przeznaczony do aplikacji w sytuacji, gdy wymaga ona niewielkiej ilości miejsca na dane lub host ogranicza ją tylko do niewielkich pojemności. Pionowe układanie w stosy otworzyło wrota dla wyższych pojemności, ale również podniosło minimalną gęstość kości pamięci. Krótko mówiąc, wieżowiec nie może być domem tylko dla 10 osób. Minimalne dostępne pojemności dla technologii 2D SLC (24nm), 2D MLC (15nm), 3D TLC (BiCS3 64 warstw), 3D TLC (BiCS4 96 warstw), 3D TLC (BiCS5 112 warstw) to odpowiednio 256MB, 8GB, 32GB, 64GB, 128GB.

Jeśli powyższe aspekty i okoliczności nie są obecne w danej aplikacji to BiCS5 może faktycznie przynieść wiele korzyści. Jako technologia o największym udziale w zdolności produkcyjnej będzie miała najbardziej konkurencyjne ceny za GB przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej jakości i niezawodności. Co więcej, pozwala mniejszym formatom osiągnięcie większej pojemności, co nie było możliwe w przypadku starszych technologii planarnych. Teraz nawet mSATA może mieć 2TB.

Warto podkreślić, że choć starsze technologie planarne SLC i MLC są nadal dostępne na rynku, to stały się produktem niszowym. Ich udział w produkcji w przeciągu ostatnich lat znacznie spadł. Co więcej, producenci nie mają żadnych planów by go zwiększać, ponieważ nacisk kładziony jest głównie na 3D. Dłuższe terminy dostaw i niekonkurencyjne ceny są zatem nieuniknionymi konsekwencjami odsunięcia 2D NAND w cień.

Podsumowanie

BiCS5 będzie dobrym wyborem dla szukających bardziej ekonomicznego rozwiązania. Na rynku jest dostępny także BiCS3 i wszystko wskazuje na to, że zostanie na dłużej. Pomaga on wypełnić lukę mniejszych pojemności znanych z 2D MLC, ale niewystępujących w BiCS5. Należałoby jednak uwydatnić jedną ważną kwestię o BiCS3 – jego udział w produkcji stale się zmniejsza.

Pod względem podaży i ceny za GB, BiCS5 wygrywa z łatwością ze swoim starszym rodzeństwem. Producenci kontrolerów koncentrują się głównie na najnowszych technologiach Flash. Oznacza to, że nowe generacje sterowników są nierozłącznie powiązane z najbardziej aktualną wersją pamięci NAND. W pogoni za wyższymi prędkościami przesyłania danych w technologii PCIe NVMe Gen4 x 4, BiCS5 jest głównym zawodnikiem.

Przykładowe produkty technologii 3D NAND dostępne w ofercie csi.pl: CH120-MSD, UV110-UFD7, PV930-M280

Autor artykułu: Katarzyna Surdykowska, Apacer Technology, Inside Sales Manger