Нанд память что такое
Версия вашего веб-браузера устарела. Обновите браузер для повышения удобства работы с этим веб-сайтом. https://browser-update.org/update-browser.html
Что такое NAND?
NAND — это энергонезависимая флеш-память, которая может хранить данные, даже если она не подключена к источнику питания. Возможность сохранять данные при выключении питания делает NAND отличным вариантом для внутренних, внешних и портативных устройств. USB-накопители, твердотельные накопители и SD-карты используют флеш-технологию, обеспечивая память для таких устройств, как мобильные телефоны и цифровые видеокамеры.
На рынке представлены несколько типов памяти NAND. Попросту говоря, каждый из типов отличается количеством битов, которое может храниться в каждой ячейке. Биты представляют собой электрический заряд, который может содержать только одно из двух значений — 0 или 1 (вкл./выкл.).
Ключевые различия между типами памяти NAND заключаются в стоимости, емкости и сроке службы. Ресурс определяется количеством циклов программирования-стирания (P/E), которые может выдержать ячейка флеш-памяти до износа. Цикл P/E — это процесс стирания и записи ячейки, и чем больше циклов P/E может выдержать технология NAND, тем выше ресурс устройства.
Стандартные типы флеш-памяти NAND — SLC, MLC, TLC и 3D NAND. В этой статье рассматриваются различные характеристики каждого типа памяти NAND.
SLC NAND
Преимущества: Высочайший ресурс — Недостатки: Высокая стоимость и низкая емкость
NAND-память в одноуровневыми ячейками (SLC) хранит только 1 бит информации на ячейку. В ячейке хранится либо 0, либо 1, и в результате запись и извлечение данных может выполняться быстрее. SLC обеспечивает самую высокую производительность и ресурс: 100 000 циклов P/E То есть такая память служит дольше других типов NAND-памяти. Однако из-за низкой плотности размещения данных SLC является самым дорогим типом NAND-памяти и поэтому обычно не используется в потребительской продукции. Ее типичные области применения — серверы и другое промышленное оборудование, требующее высокой скорости и долговечности.
MLC NAND
Преимущества: Дешевле памяти SLC — Недостатки: Быстродействие и ресурс ниже по сравнению с SLC
Технология NAND-памяти с многоуровневыми ячейками (MLC) хранит несколько битов на ячейку, хотя термин MLC обычно относится к 2 битам на ячейку. MLC имеет более высокую плотность размещения данных по сравнению с SLC, поэтому позволяет создавать носители большей емкости. Память MLC отличается хорошим сочетанием цены, производительности и долговечности. Однако память MLC, обеспечивающая 10 000 циклов P/E более чувствительна к ошибкам данных и имеет меньший ресурс по сравнению с SLC. Память MLC обычно используется в потребительской продукции, где долговечность не столь важна.
TLC NAND
Преимущества: Наименьшая цена и высокая емкость — Недостатки: Низкая долговечность
NAND-память с трехуровневыми ячейками (TLC) хранит 3 бита на ячейку. За счет увеличения числа битов на ячейку снижается цена и увеличивается емкость. Однако это отрицательно сказывается на производительности и ресурсе (всего 3000 циклов P/E). Во многих потребительских изделиях используется память TLC как самый дешевый вариант..
3D NAND
В последние десять лет одной из крупнейших инноваций на рынке флеш-памяти стала память 3D NAND. Производители флеш-памяти разработали технологию 3D NAND, чтобы устранить проблемы, с которыми они столкнулись при уменьшении размера 2D NAND в попытке достичь более высокой плотности при меньших затратах. В памяти 2D NAND ячейки, в которых хранятся данные, размещаются горизонтально, рядом друг с другом. Это означает, что объем пространства, в котором могут быть размещены ячейки, ограничен, и попытка уменьшить размер ячеек снижает их надежность.
Поэтому производители NAND-памяти решили расположить ячейки в пространстве иначе, что привело к созданию памяти 3D NAND с вертикальным расположением ячеек. Более высокая плотность памяти позволяет увеличить емкость без значительного увеличения цены. Память 3D NAND также обеспечивает более высокую долговечность и меньшее энергопотребление.
В целом, NAND — чрезвычайно важная технология памяти, поскольку обеспечивает быстрое стирание и запись данных при более низкой стоимости на бит. С ростом игровой индустрии развитие технологии NAND продолжится, чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности потребителей в хранении данных.
[Информационный пост] Историческая справка о типах NAND памяти
Привет, Гиктаймс! Известен факт, что производительность твердотельного накопителя зависит не только от контроллера, но и от типа памяти, которая используется в SSD. Дешевая медленная память убьет все преимущества быстрого контроллера, потому что вся нагрузка ложится именно на него, равно как и медленный контроллер не раскроет потенциал быстрой памяти. Рынку важнее большой объем за скромные деньги, нежели чистое искусство высокой скорости, а с учетом того, что эти две вещи несовместимы… Ключевая роль в этом уравнении отведена буквам – SLC, MLC и TLC. Именно о типах памяти и хочу повести речь в этом посте.
Для затравки представлю всех «участников забега» на очень длинную дистанцию:
Память SLC – Single-Level Cell – давно ушедший с рынка, самый быстрый, самый выносливый и самый дорогой тип памяти. Когда-то давно, в 2004 году доля рынка SLC чипов была более 80%, однако к 2011 они пропали из производства и на текущий момент можно считать их вымершими. Кроме скорости архитектура SLC также славится надежностью, поскольку контроллеру намного легче вылавливать ошибки.
Память MLC – Multi-Level Cell – она же 2-bit MLC – самый популярный на текущий тип памяти – на него приходится около 65 процентов рынка, но доля его неуклонно снижается. Именно такую память в основном использует компания Kingston. Скорость работы таких чипов ниже, чем SLC, но ее достаточно для раскрытия потенциала интерфейса SATA III (как в случае с HyperX Savage, например), а лучшие из образцов прекрасно подходят для работы в PCI-E накопителях, например, HyperX Predator.
Память TLC – Triple-Level Cell, он же 3-bit MLC – самый недорогой из трех типов памяти, появился на рынке в 2008 году и с тех пор пожирает рынок и по прогнозам может занять 90 процентов рынка уже в 2017 году. Что принесет разработка этого стандарта? В начале — небольшое падение скоростей для твердотельных накопителей большой емкости. А затем, после оптимизации и улучшения процесса производства — появление сверхъёмких и достаточно быстрых SSD по 4 терабайта и более по вполне вменяемым (в долларах США) ценам. Kingston закладывает такой переход в дальнейшую стратегию развития и вскоре мы увидим первые серийные твердотельные диски на новом типе памяти.
Следует сделать отступление на тему ресурса — указанные данные — это теоретический максимум для каждого типа памяти, реальные же цифры обусловлены также техпроцессом производства, качеством пластины, а соответственно и ценой за чип (чем дешевле чипы, тем короче срок службы) и способом оптимизации работы твердотельного накопителя в каждом отдельно взятом контроллере (качественный контроллер с качественной прошивкой всегда дороже).
Кто потребляет NAND память?
А вот тут очень интересная история – на долю USB Flash Drive – выпадает около 5% от общего потребления чипов, на долю карт памяти – около 10%, примерно 20% на долю компьютерного рынка (SSD). А где еще 65% спросите вы? Планшеты – забирают себе 20 процентов, еще 5 процентов у МР3-плееров и других подобных устройств, а 40% съедают – смартфоны. Кстати, еще один любопытный факт – компания Apple потребляет 16% от общего количества выпускаемой флеш-памяти. Здесь важно понимать, что направление развития рынка диктует, в первую очередь, мобильное направление, а уж десктопы покорно следуют за толпой демонстрантов с радостными лозунгами.
Скорость обмена данными между центральным и графическим ядрами и системой хранения растет достаточно быстро для того, чтобы в обозримом, но не ближайшем, будущем отказаться от оперативной памяти как таковой. Прямой доступ к кэшу накопителей будет прекрасным решением знаменитого «бутылочного горлышка».
Технология флеш-памяти 3D NAND
Всем привет! Как вы знаете, современная планарная флеш-память NAND почти исчерпала свой потенциал. Основной её проблемой является то, что уменьшать размеры кристалла становится все труднее. По прогнозам экспертов, 14-15 нм технологические нормы станут пределом планарной флеш-памяти, по крайней мере на ближайшее время. А на смену ей придет технология «вертикальной» флеш-памяти – 3D NAND.
Очень важно понимать, что же мешает дальнейшему уменьшению размеров кристалла. Прежде всего, для освоения более тонких техпроцессов необходимо дорогостоящее оборудование, покупка которого может в дальнейшем не оправдаться с экономической точки зрения. И если приобретение новых литографических машин – вопрос решаемый, то проблему перетекания заряда из одной ячейки в другую, из-за которой возникают ошибки, решить не так легко.
Словом, индустрия оказалась в ситуации, когда ресурсы обычной, планарной, флеш-памяти оказались исчерпаны. Поэтому появилась идея размещать ячейки не только в плоскости, но еще и слоями. Таким образом, чип получает трехмерную структуру и способен вмещать значительно больше информации на единицу площади, нежели двухмерные кристаллы. Технология получила название 3D NAND. Тут же стоит отметить, что производители используют различные техники для создания трехмерной памяти, поэтому архитектура 3D NAND у каждой компании может иметь свои особенности и отличия.
Первой компанией, наладившей производство трехмерной флеш-памяти под названием 3D V-NAND и накопителей на их основе, был корейский гигант Samsung. Еще в 2013 году они объявили о выпуске первых трехмерных чипов типа MLC, насчитывающих 24 слоя. А уже через год 3D реализацию получила флеш-память TLC, число слоев которой увеличилось до 32.
Как вы знаете, в основе конструкции планарной флеш-памяти лежит транзистор с плавающим затвором. Плавающий затвор обладает способностью удерживать заряд в течение длительного времени. Как оказалось, в этом кроется основной недостаток конструкции: при уменьшении техпроцесса вследствие износа ячеек заряд может перетекать из одной ячейки в другую. Для решения этой проблемы Samsung использует технологию 3D Charge Trap Flash, что в переводе с английского означает «ловушка заряда».
Её суть заключается в том, что заряд теперь помещается не в плавающий затвор, а в изолированную область ячейки из непроводящего материала, в данном случае — нитрида кремния (SiN). Тем самым снижается вероятность «утечки» заряда и повышается надежность ячеек.
Помимо всего прочего, применение технологии CTF позволило сделать чипы памяти более экономичными. По данным Samsung, экономия может достигать 40% в сравнении с планарной памятью.
Трехмерная ячейка 3D V-NAND представляет собой цилиндр, внешний слой которого является управляющим затвором, а внутренний – изолятором. Ячейки располагаются друг над другом и формируют стек, внутри которого проходит общий для всех ячеек цилиндрический канал из поликристаллического кремния. Количество ячеек в стеке эквивалентно количеству слоев флеш-памяти.
3D V-NAND память также может похвастаться более высокой скоростью работы. Этого удалось достичь за счет упрощения алгоритма записи в ячейку – теперь вместо трех операций выполняется всего одна. Упрощение алгоритма стало возможным благодаря меньшей интерференции между ячейками. В случае с планарной памятью из-за возможных помех между соседними ячейками требовался дополнительный анализ перед записью. Вертикальная память свободна от этой проблемы, и запись выполняется за один шаг.
Ну и несколько слов о надежности. 3D V-NAND память значительно меньше подвержена износу благодаря тому, что для записи информации в ячейку не требуется высокого напряжения. Напомним, для того чтобы поместить данные в ячейку планарной памяти применяется напряжение порядка 20 В. Для трехмерной памяти этот показатель ниже. На надежности благоприятно сказался и тот факт, что производство трехмерной флеш-памяти не требует тонких технологических норм. Например, третье поколение памяти 3D V-NAND с 48 слоями производится по отлаженному 40 нм техпроцессу.
Пока Samsung производила чипы трехмерной флеш-памяти себе в убыток (что, кстати, было официально подтверждено корейской компанией), другие производители флеш-памяти разрабатывали конкурирующие технологии. Так, компании Toshiba и SanDisk объединились в альянс для выпуска трехмерной флеш-памяти BiCS 3D NAND (Bit Cost Scalable).
Работа над технологией началась еще в 2007 году силами одной Toshiba, а первые образцы трехмерной флеш-памяти BiCS были продемонстрированы в 2009 году. С тех пор развитие технологии не форсировалось. Кроме того, альянс Toshiba/SanDisk четко дал понять, что они не собираются выводить трехмерную флеш-память в массовое производство до тех пор, пока это не будет экономически выгодно.
Основным отличием 3D флеш-памяти Toshiba от планарной, как и в случае с Samsung 3D V-NAND, является использование технологии CTF вместо классических транзисторов с плавающим затвором. Материалом для изолированной области также служит нитрид кремния (SiN). Принцип действия технологии в BiCS 3D NAND остается тем же самым: информация помещается не в плавающий затвор, как раньше, а в изолированную область.
Что выгодно отличает BiCS 3D NAND от технологии 3D V-NAND, так это использование U-образных строк (линий). Это означает, что ячейки группируются не в ряд, а в имеющую форму буквы U последовательность. По словам Toshiba, такой подход позволяет добиться максимальной надежности и скорости работы. Это стало возможным благодаря тому, что в U-образном дизайне переключающий транзистор и линия истока располагаются в верхней части последовательности (а не в нижней, как при «рядном» дизайне) и не подвергаются высокотемпературному воздействию, вследствие чего уменьшается количество ошибок при чтении и записи.
Также к преимуществам U-образного дизайна Toshiba относит и тот факт, что такая конструкция не требует использования фотолитографии в глубоком ультрафиолете. Поэтому для изготовления трехмерной флеш-памяти компания может использовать существующие производственные мощности.
Интересно и то, что в производстве BiCS 3D NAND компания Toshiba впервые в массовом будет применять технологию тонкопленочных транзисторов (TFT).
Что касается технических характеристик чипов BiCS, то это будут 48-слойные кристаллы памяти типа TLC. Их плотность составит 256 Гбит. При производстве будет использоваться отлаженный 30-40 нм техпроцесс. В целом, по характеристикам первые массовые чипы BiCS 3D NAND будут очень схожи с третьим поколением кристаллов Samsung 3D V-NAND.
Альянс Micron/Intel также ведет разработку собственной трехмерной флеш-памяти. Многие эксперты предрекали, что все проекты 3D NAND будут использовать технологию CFT, однако Micron с Intel удивили всех и пошли иным путем. Основу их трехмерной флеш-памяти составляют ячейки с плавающим затвором. В Micron утверждают, что именно такая архитектура позволяет более надежно хранить заряд в ячейке.
Micron обещает наладить массовое производство чипов трехмерной флеш-памяти уже в этом году. Это будут 32-слойные кристаллы плотностью 256 Гбит (MLC) и 384 Гбит (TLC).
Об архитектуре трехмерной флеш-памяти SK Hynix известно не многое. Изначально южнокорейская компания планировала использовать ячейки с плавающим затвором, однако в конце концов выбор пал на технологию CTF. В этом году SK Hynix обещает наконец-то наладить массовое производство 3D NAND. Это будут 48-слойные чипы TLC емкостью 256 Гбит.
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Предисловие
Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.
Теоретическая часть
Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…
Какая память бывает?
На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.
Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…
Современные типы «твердотельной памяти». Источник
Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.
Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?
Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.
Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник
Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.
NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.
Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.
В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).
Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!
Что такое DRAM?
Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.
Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:
Устройство ячейки RAM. Источник
Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.
Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…
Часть практическая
Flash
Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:
Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник
Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.
Корпус кварцевого генератора
Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:
Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита
А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:
Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий
Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.
После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:
«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)
Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый»
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»