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Mit 3D-NAND lassen sich neue Leistungsdimensionen erschließen

Die 3D-NAND-Technologie ist reif für den produktiven Einsatz. Die Zuverlässigkeit ist gegeben und neue Leistungsdimensionen werden möglich.

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SSD

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Flash wird zum neuen Standard für Storage-Systeme im Rechenzentrum. Festplatten werden zunehmend als veraltet angesehen und für Primär-Storage ist Flash die erste Wahl. Gleichzeitig setzen auch hyperkonvergente und Software-definierte Systeme immer mehr auf Flash.

Das Verlangen nach mehr Storage-Kapazität ist unersättlich und die Anbieter suchen nach Lösungswegen. Eine Technologie, die hierbei sehr hilfreich sein kann, ist 3D-NAND.

Anfänglich war NAND nur auf zweidimensionalen Chips mit einer einzigen Schicht von Transistoren erhältlich. Millionen von Transistoren wurden verbunden, um auf Speicherzellen Informationen mittels elektrischer Ladung abzulegen.

Die Kapazität auf diesen planaren Geräten wurde auf zwei Arten erweitert. Erstens durch Verringerung der Zellgröße und zweitens durch Erhöhung der Zahl der Zellen.

Die neuesten Produktionsergebnisse auf planarem NAND erreichen 15 Nanometer (nm). Eine weitere Verbesserung ist schwer zu erzielen, weil Elektronenlecks drohen.

Die Dichte der Zellen ist von Single-Level Cell (SLC) auf Double- (Multi-Level Cell, MLC) und Triple-Kapazität (TLC) gesteigert worden. Demnächst sind QLC (Four Bits) zu erwarten.

Aber die Steigerung der Zellenzahl stößt an Skalierungsgrenzen. Die Lebenserwartung einzelner Zellen sinkt, wenn die Zahl erhöht wird. Deswegen werden QLC-Zellen wohl nur für WORM-Operationen geeignet sein.

Neuer Lösungsweg 3D-NAND

3D-NAND geht einen neuen Weg. Statt die Zellen nebeneinander zu platzieren, werden diese übereinander gestapelt. Mit dieser dreidimensionalen Struktur ist größere Skalierung möglich.

Die Anlage der Zellen wird nun in mehreren Schichten wiederholt. Dadurch wird die Kapazität erheblich gesteigert und dabei ist es nicht nötig, die Zellgröße des NAND Chips wesentlich zu erhöhen.

Die Hersteller von NAND-Flash gingen in der dritten Dimension anfänglich auf Zellgrößen von 40 nm, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Mittlerweile sind Produkte mit 21 nm verfügbar.

Die einzelnen Hersteller bieten unterschiedliche Kapazitäten und Architekturen. Samsung war mit V-NAND Pionier für 3D-NAND. Aktuell bieten die Koreaner Produkte mit 100-Layer-Technologie und einem TB Kapazität.

Western Digital und Toshiba arbeiten zusammen und haben eine 64-Layer-Technik entwickelt. Auf der anderen Seite arbeiten Intel und Micron zusammen.

SSDs mit 3D-NAND

Es gibt bereits einige kommerzielle Produkte mit eingebauter 3D-NAND-Technik. Micron hat vor kurzem Enterprise SATA Solid State Drives (SSD) der 5100 Serie vorgestellt. Sie bieten eine Kapazität von 8 Terabyte (TB) und 74k zufällige Schreibrate in einem 2,5 Zoll Gehäuse. 

Die Samsung 863a SSD Modelle bieten verschiedene Varianten (240 GB, 480 GB, 960 GB, 1,920 GB) mit Sequential Read Speed von bis zu 510 MB/sec und Sequential Write Speed bis zu 485 MB/sec.

Seagate testet Kapazitäten von bis zu 60 TB. Die meisten anderen Anbieter bewegen sich aktuell in der Spannbreite von zwei bis vier TB.

Die Zuverlässigkeit von 3D-NAND

Grundsätzlich steht 3D-NAND vor denselben Problemen wie zweidimensionales NAND. Aber es gibt noch einen zusätzlichen Hemmschuh. Es handelt sich um den so genannten „Disturb“-Effekt. Wenn ein Wert in einer Zelle festgelegt wird, kann sich dies auf eine andere auswirken. Das heißt also, dass eine potentielle Störung Auswirkungen auf alle benachbarten Zellen sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung haben kann.

Um dies zu verhindern, setzen die Hersteller auf zwei Methoden, „Charge Trap“ und „Floating Gate“. Charge Trap wird potentiell als skalierbarer angesehen, während für Floating Gate geringere Kosten und schnellere Schreibvorgänge sprechen. Samsung hat sich für Charge Trap entschieden, während Micron auf Floating Gate setzt.

Die derzeit verfügbaren 3D-NAND-Produkte sind dadurch nicht weniger zuverlässig wie ihre zweidimensionalen Brüder. Micron gibt für die 5100 eine Mean Time Between Failures (MTBF) von zwei Millionen mit bis zu fünf DWPD (Device Writes Per Day) an. Dies wird durch fortschrittliche Algorithmen erreicht.

In vielen Storage-Arrays unterschiedlicher Hersteller werden 3D-NAND SSDs bereits verwendet. In der Zukunft wird sich dieser Trend verstärken und 3D-NAND kann den Weg zu einem All-Flash-Rechenzentrum ebnen.

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Artikel wurde zuletzt im Januar 2017 aktualisiert

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