3D NAND - większa gęstość, większa pojemność

Konwencjonalne układy pamięci NAND dochodzą do granic wydajności. Gęstości upakowania komórek osiągnęła poziom, przy którym trudno oczekiwać rozwiązań oferujących znaczący wzrost pojemności i szybkości układów budowanych w oparciu o tę technologię. Zmniejszenie przestrzeni między komórkami ma bowiem swoje granice - komórki leżące zbyt blisko siebie mogą wpływać na wartości przechowywanych ładunków, co skutkować może uszkodzeniem czy zafałszowaniem danych. Zmniejszanie rozmiarów pojedynczej komórki także przestaje być możliwe ze względu na ograniczoną rozdzielczość litografii półprzewodnikowej. Jakie zatem zaproponowano rozwiązanie zwiększające pojemność kości pamięci?

NAND - SLC, MLC, TLC

Tradycyjne rozwiązania bazują na kilku podstawowych typach pamięci, których rozróżnienie opiera się na budowie pojedynczej komórki pamięci: SLC, MLC i TLC. SLC (Single-Level Cell) to rozwiązania najdroższe, cechujące się najniższym ryzykiem wystąpienia błędu, zarezerwowane dla konstrukcji przeznaczonych na wąski rynek specjalistycznych odbiorców. Pozostałe rodzaje pamięci znajdują zastosowanie w tańszych konstrukcjach, przy czym technologia TLC (Triple-Level Cell) oferuje rozwiązania budżetowe wykorzystywane w najbardziej konkurencyjnych urządzeniach, gdzie niska cena nośnika jest wartością priorytetową. Podstawowe różnice w budowie tych rodzajów pamięci zasadzają się na różnicach w zapisie danych (szerzej o pamięciach NAND można przeczytać tutaj). Najogólniej rzecz ujmując SLC pozwala na zapis pojedynczego bitu w jednej komórce pamięci, MLC (Multi-Level Cell) oferuje podwójny zapis, TLC zaś proponuje możliwość rejestracji trzech bitów informacji w pojedynczej komórce pamięci, co przekłada się na odpowiednio większą pojemność kości pamięci, okupioną niestety koniecznością stosowania bardziej złożonego oprogramowania obsługującego operacje odczytu/zapisu spowalniającego jej szybkość działania. Sposób zapisu przekłada się także na żywotność komórki pamięci. SLC cechuje najwyższy wskaźnik: 100 000 operacji kasowania i zapisu; dla MLC jest on na poziomie 3 000 - 10 000, zaś komórki TLC odznaczają się najniższą liczbą cykli, pomiędzy 500 a 3 000. Wszystkie wymienione technologie pozwalają na rozmieszczenie komórek pamięci i zapis informacji jedynie w pojedynczej płaszczyźnie poziomej (planarne). Aby zwiększyć gęstość upakowania bitów informacji należało sięgnąć zatem w głąb.

3D NANAD - co to takiego?

Technologia 3D NAND to nic innego jak warstwowa, czyli wielopłaszczyznowa architektura komórek pamięci. Technologia ta pozwala na znacznie bardziej gęste upakowanie bitów informacji z zachowaniem tych samych rozmiarów kości pamięci niż w przypadku tradycyjnej NAND. Już pierwsze 24-warstwowe układy 3D zapewniały znacząco większą pojemność. Jednak technologia ta pozwala na produkcję znacznie gęściej upakowanych komórek pamięci - obecne są już 32-warstwowe, 48-warstwowe, a nawet układy składające się z 72 warstw (Intel przewiduje, iż możliwe będą nawet setki poziomów). W przypadku rozwiązania 3D stosuje się na ogół komórki pamięci budowane w technologii MLC i TLC - uzyskuje się w ten sposób wzrost wydajności z zachowaniem atrakcyjnej ceny (bardzo dobry wskaźnik ceny do pojemności w porównaniu do technologii planarnej). Wielopoziomowa struktura to także mniejsze zużycie energii, a także wzrost żywotności pamięci.

Implementacja technologii

O ile w przypadku tradycyjnych pamięci NAND wzrost pojemności zasadzał się na pokonywaniu barier litograficznych układu, o tyle w przypadku 3D są to procesy osadzania kolejnych warstw wraz technikami ich wytrawiania. Decydująca jest tu powtarzalność produkcyjna. Warstwy układa się naprzemiennie, aż do osiągnięcia wymaganej liczby poziomów, wykorzystując proces CVD (Chemical Vapor Deposition). W produkcji poziomów wykorzystywane są różne materiały, np warstwy azotku i ditlenku krzemu. Choć teoretyczna liczba poziomów nie ma górnej granicy, w praktyce zaoferowanie odpowiednio dużej liczby warstw napotyka problemy w postaci zagwarantowania odpowiedniej grubości i jednorodności struktury wraz z utrzymaniem stosownej sztywności (wyeliminowanie odkształceń powstających na skutek różnego rodzaju naprężeń). Niemniej skomplikowany jest proces wytrawiania siatki równoległych kanałów międzypoziomowych o jednakowej średnicy. Możliwe są tu różnego rodzaju defektu w postaci braku wymaganej głębokości bądź nierównomiernej średnicy kanałów, które dyskwalifikują całą strukturę grożąc zwarciem lub zafałszowaniem wartości ładunku komórki podczas użytkowania pamięci.

Wraz z projektowaniem coraz bardziej wielopoziomowych struktur problemy produkcyjne będą napotykać dużo większe trudności, np. wymagana głębokość kanałów może osiągnąć granice możliwości technologicznych. Wyjściem może być stosowanie cieńszych warstw i ich późniejsze łączenie w bardziej skomplikowane konstrukcje. Takie rozwiązanie oznaczałoby jednak podniesienie kosztów produkcji - wielokrotne wykonanie tych samych czynności. Choć pamięci 3D wydają się załatwiać wiele problemów technologii NAND, widać, iż produkcja układów tego rodzaju nie jest pozbawiona trudności, które mogą odbijać się na ich przyszłym rozwoju.

Pavel Kroupka