Flash geheugen – SLC, QLC, 3D-NAND en andere technieken

NAND-flashgeheugen is inmiddels het standaardgeheugen voor ssd’s, geheugenkaarten, usb-sticks en mobiele telefoons. In de loop der tijd is de opbouw ervan steeds complexer geworden, maar het is bijzonder dat dit juist voor dalende prijzen heeft gezorgd. We gaan in op SLQ, QLC, 3D-NAND en andere technieken voor flash geheugen en wat ze betekenen.

Er zijn slechts enkele fabrikanten van NAND-flash op de wereld: Intel, Micron, SK Hynix, Samsung en het door Toshiba en SanDisk opgezette samenwerkingsverband Kioxia-WD. Onlangs heeft de Chinese fabrikant YMTC zich daar bij aangesloten, maar die speelt internationaal nog geen grote rol.

Flash memory wordt o.a. gebruikt in ssd’s zoals deze M.2-formaat ssd.

Flashgeheugen heeft geen energie nodig om een lading te behouden als die eenmaal is opgeslagen: de elektronen krijgen daarbij een bepaald ladingsniveau, waarbij aan dat niveau een digitale waarde kan worden toegekend.

Fabrikanten moeten tijdens de ontwikkeling de voor- en nadelen tegen elkaar afwegen: grotere structuren zijn robuuster en dus duurzamer, terwijl met fijnere structuren op hetzelfde oppervlak een hogere capaciteit mogelijk is. Fijnere structuren verminderen ook het energieverbruik.

De eerste flashcellen sloegen elk slechts 1 bit op (Single Level Cell, SLC). De controller hoefde bij het uitlezen alleen maar te controleren of de spanning ­boven of onder de helft van de celspanning lag. Dergelijke cellen zijn snel en kunnen heel vaak overschreven worden zonder na­delige effecten. Ze nemen echter nogal wat siliciumruimte in beslag, waardoor SLC-chips per GB vrij duur zijn.

MLC staat eigenlijk voor Multi Level Cell, maar in de praktijk wordt die term vrijwel altijd gebruikt voor cellen met een capaciteit van 2 bit – een verdubbeling dus van de opslagcapaciteit per cel. Dat gaat echter vooral ten koste van de levensduur: een SLC-cel kan ongeveer 100.000 keer worden herschreven, maar een MLC-cel kan slechts ongeveer 10.000 keer worden herschreven.

De volgende stap heet TLC, Triple Level Cell. Bij dit celtype moet de controller al 8 spanningsniveaus onderscheiden. Het TLC-geheugen is niet alleen minder houdbaar dan MLC, maar het is ook vrij traag – vooral bij het schrijven.

Fabrikanten bieden bij ssd’s een tussenoplossing met een techniek die SLC-cache wordt genoemd. Daarbij worden sommige van de geheugencellen in een snellere 1-bit modus geschakeld. Hoe groter die SLC-cache is, des te langer de ssd zijn schrijfprestaties op een hoog niveau kan houden. Wanneer de ssd niets meer te doen heeft, verplaatst de controller de gegevens naar de langzamere TLC-cellen.

TLC-flash is inmiddels standaard in veel ssd’s, mobiele telefoons en geheugenkaarten. MLC wordt zelden meer gebruikt en SLC is praktisch niet meer beschikbaar. Sommige ssd’s bevatten al QLC-flash (Quadruple Level Cell), dat 4 bit per cel kan opslaan. De controller moet daarbij onderscheid maken tussen 16 verschillende spanningsniveaus. De schrijfsnelheden van dergelijke ssd’s liggen – als de SLC-cache vol is – op het niveau van een harde schijf. In onze test van grote ssd’s kom je veel QLC-flash tegen.

Dankzij een grote SLC-cache kan een ssd met QLC-flash toch goede prestaties leveren.

Maar fabrikanten zijn al bezig met de volgende fase: Penta Level Cell (PLC) met een opslagcapaciteit van 5 bit per cel. Dat zal nog langzamer en nog minder houdbaar zijn, maar ook iets goedkoper. Kioxia en Intel zijn daar naar eigen zeggen al mee bezig. Intel stelt zelfs dat het PLC’s als eerste in enterprise-ssd’s zal gaan gebruiken.

De capaciteitsverhoging van PLC ten opzichte van QLC bedraagt slechts 25 procent per cel. Toch zou het gebruik voor bijvoorbeeld archief-ssd’s de moeite waard kunnen zijn. Die zullen echter nauwelijks beschikbaar zijn voor 2022 of 2023.

Van SLC naar PLC

De verschillen in spanningsniveaus zijn bij SLC- en MLC-cellen nog redelijk groot, maar bij PLC-geheugen moet de controller de waarden tot op 3 procent nauwkeurig van elkaar kunnen
onderscheiden.

Parallel aan het vergroten van de capaciteit van de individuele cellen kiezen fabrikanten ook voor een tweede benadering. De voorheen tweedimensionale celstructuren groeien verticaal om 3D-NAND te vormen. Na wat eerste pogingen met 8, 16 en 32 lagen, produceren alle fabrikanten nu 3D-flash met 96 of meer lagen. Een fysieke grens lijkt op dit moment nog niet in zicht. SK Hynix heeft al een preview gegeven van 3D-flash met 500 lagen.

Gestapeld flash geheugen met meer dan 64 lagen bestaat meestal uit meerdere onderdelen, die afzonderlijk worden vervaardigd (zogenaamde array-stacking). De logische circuits voor het aansturen van de flashcellen bevinden zich daarbij vaak onder de cellen (zogeheten ‘CMOS under array’). Dat bespaart ruimte ten opzichte van het aanbrengen naast de flashlagen. SK Hynix is bij de huidige flashgeneratie ook overgestapt op die technologie en noemt dat 4D-NAND. YTMC produceert de logische circuits zelfs in een apart proces en verbindt de onderdelen pas met elkaar tijdens het ­fabricageproces.

3D-geheugen

3D-flashgeheugen benut de beschikbare ruimte op een die aanzienlijk beter. De structuren kunnen zelfs iets groter worden, wat de levensduur van het flashgeheugen ten goede komt.

Flash geheugen kan alleen in blokken worden geschreven, en daarvoor moet die blokken leeg zijn. Zelfs het veranderen van slechts één bit betekent dus dat een heel blok van bijvoorbeeld 128 kB herschreven moet worden. Het geheugen verslijt echter een beetje bij elk wisproces, want de hoge wisspanning veroorzaakt schade aan de structuur van de cel. De controller moet er dus voor zorgen dat alle flashcellen zo gelijkmatig mogelijk gebruikt worden, zodat ze gelijkmatig verslijten. Bij normaal desktop-gebruik is de levensduur van ssd’s doorgaans geen probleem.

Een enkele siliciummatrijs biedt momenteel tot 1,33 Tbit aan opslagruimte, waarvan er maximaal 16 door de fabrikanten in een flashchip worden gestopt. Dat resulteert in een chipcapaciteit tot aan 2,66 TB. Technisch gezien zouden ssd’s met 50 TB of zelfs meer dus geen groot probleem meer moeten zijn.

Ondanks prijsdalingen kosten dergelijk grote ssd’s echter enkele duizenden euro’s, waardoor ze voor particuliere klanten praktisch onbetaalbaar zijn. Maar de capaciteiten die nodig zijn voor het dagelijkse werk op je laptop of desktop-pc zijn tegenwoordig zo goedkoop dat het einde van de harde schijf op dat gebied nadert. Op de lange termijn zal het flash geheugen steeds goedkoper worden door meer lagen en een hogere opslagcapaciteit per cel.

(Lutz Labs en Marco den Teuling, c’t magazine 6/2020, p. 76)

Blijf op de hoogte van de nieuwste informatie en tips!
Schrijf je in voor de nieuwsbrief: