تقنية فلاش NAND ثلاثية الأبعاد

مرحبا بالجميع! كما تعلم ، فقد استنفدت ذاكرة فلاش NAND المستوية الحديثة إمكاناتها تقريبًا. مشكلتها الرئيسية هي أنه يصبح من الصعب بشكل متزايد تقليل حجم البلورة. وفقا للخبراء ، فإن المعايير التكنولوجية 14-15 نانومتر ستصبح الحد الأقصى لذاكرة فلاش المستوية ، على الأقل في المستقبل القريب. وسيتم استبدالها بتكنولوجيا ذاكرة فلاش "رأسية" - 3D NAND.

من المهم جدًا فهم ما يمنع زيادة تقليل حجم البلورة. بادئ ذي بدء ، يتطلب تطوير عمليات التصنيع الدقيقة معدات باهظة الثمن ، والتي قد لا يبرر شرائها في المستقبل من وجهة نظر اقتصادية. وإذا كان اقتناء آلات الطباعة الحجرية الجديدة مشكلة قابلة للحل ، فإن مشكلة تدفق الشحن من خلية إلى أخرى ، والتي تحدث بسببها الأخطاء ، ليس من السهل حلها.

باختصار ، وجدت الصناعة نفسها في وضع استنفدت فيه موارد الذاكرة الوميضية العادية والمستوية. لذلك ، جاءت الفكرة لوضع الخلايا ليس فقط في المستوى ، ولكن أيضًا في طبقات. وبالتالي ، فإن الشريحة تتلقى بنية ثلاثية الأبعاد وقادرة على حمل المزيد من المعلومات لكل وحدة مساحة من البلورات ثنائية الأبعاد. تسمى التكنولوجيا 3D NAND. تجدر الإشارة على الفور إلى أن الشركات المصنعة تستخدم تقنيات مختلفة لإنشاء ذاكرة ثلاثية الأبعاد ، لذلك قد يكون لهندسة 3D NAND لكل شركة خصائصها واختلافاتها الخاصة.

أول شركة أنشأت إنتاج ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد تسمى 3D V-NAND ومحركات الأقراص المستندة إليها كانت شركة Samsung العملاقة الكورية. في عام 2013 ، أعلنوا عن إطلاق أول رقائق MLC ثلاثية الأبعاد ، مع 24 طبقة. وبعد مرور عام ، تلقى تنفيذ ثلاثي الأبعاد ذاكرة فلاش TLC ، ارتفع عدد طبقاتها إلى 32.

كما تعلمون ، فإن تصميم ذاكرة فلاش مستوية يعتمد على ترانزستور بوابة عائمة. المصراع العائم لديه القدرة على الاحتفاظ بشحن لفترة طويلة. كما اتضح ، هذا هو العيب الرئيسي للتصميم: عندما تنخفض العملية التقنية بسبب تآكل الخلايا ، يمكن أن تتدفق الشحنة من خلية إلى أخرى. لحل هذه المشكلة ، تستخدم شركة Samsung تقنية 3D Charge Trap Flash ، والتي تعني "فخ الشحن" باللغة الإنجليزية.

يكمن جوهرها في حقيقة أن الشحنة لا توضع الآن في بوابة عائمة ، ولكن في منطقة معزولة من خلية مصنوعة من مادة غير موصلة ، في هذه الحالة ، نيتريد السليكون (SiN). هذا يقلل من احتمالية "تسرب" الشحنة ويزيد من موثوقية الخلايا.

من بين أمور أخرى ، جعل استخدام تكنولوجيا CTF رقائق الذاكرة أكثر اقتصادا. وفقًا لشركة Samsung ، يمكن أن تصل المدخرات إلى 40٪ مقارنة بالذاكرة المستوية.

الخلية ثلاثية الأبعاد V-NAND ثلاثية الأبعاد عبارة عن أسطوانة ، والطبقة الخارجية لها بوابة تحكم ، والطبقة الداخلية عازل. تقع الخلايا واحدة فوق الأخرى وتشكل كومة ، تمر داخلها قناة أسطوانية مصنوعة من السيليكون متعدد البلورات المشترك لجميع الخلايا. عدد الخلايا في المكدس يعادل عدد طبقات الذاكرة المحمولة.

كما تتميز ذاكرة 3D V-NAND بسرعة أعلى. تم تحقيق ذلك من خلال تبسيط الخوارزمية للكتابة إلى الخلية - الآن ، بدلاً من ثلاث عمليات ، يتم تنفيذ عملية واحدة فقط. أصبح تبسيط الخوارزمية ممكناً بسبب تداخل أقل بين الخلايا. في حالة الذاكرة المستوية ، بسبب التداخل المحتمل بين الخلايا المجاورة ، يلزم إجراء تحليل إضافي قبل التسجيل. الذاكرة الرأسية خالية من هذه المشكلة ويتم التسجيل بخطوة واحدة.

حسنا ، بضع كلمات حول الموثوقية. ذاكرة 3D V-NAND أقل عرضة للتلف نظرًا لحقيقة أن الجهد العالي ليس مطلوبًا لكتابة المعلومات إلى الخلية. تذكر أنه من أجل وضع البيانات في خلية ذاكرة مستوية ، يتم تطبيق جهد بترتيب 20 فولت. بالنسبة للذاكرة ثلاثية الأبعاد ، يكون هذا المؤشر أقل. تأثرت الموثوقية بشكل إيجابي بحقيقة أن إنتاج ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد لا يتطلب معايير تكنولوجية دقيقة. على سبيل المثال ، يتم إنتاج الجيل الثالث من ذاكرة 3D V-NAND ذات 48 طبقة باستخدام تقنية معالجة 40 نانومتر مصححة.

بينما كانت سامسونج تنتج رقائق ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد بخسارة (والتي ، بالمناسبة ، تم تأكيدها رسميًا من قبل شركة كورية) ، كان مصنعو ذاكرة فلاش الأخرى يقومون بتطوير تقنيات منافسة. لذا ، تعاونت شركتا Toshiba و SanDisk لإطلاق ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد BiCS 3D NAND (Bit Cost Scalable).

بدأ العمل على التكنولوجيا في عام 2007 بجهود توشيبا واحدة ، وتم عرض العينات الأولى لذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد BiCS في عام 2009. منذ ذلك الحين ، لم يتم تسريع تطوير التكنولوجيا. بالإضافة إلى ذلك ، أوضح تحالف Toshiba / SanDisk أنهم لن يضعوا ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد في الإنتاج الضخم حتى تصبح قابلة للتطبيق اقتصاديًا.

الفرق الرئيسي بين ذاكرة فلاش توشيبا ثلاثية الأبعاد وفلاش مستوي ، كما هو الحال في Samsung 3D V-NAND ، هو استخدام تقنية CTF بدلاً من الترانزستورات التقليدية العائمة. نيتريد السليكون (SiN) يعمل أيضًا كمواد للمنطقة المعزولة. لا يزال مبدأ تشغيل التقنية في BiCS 3D NAND كما هو: لا يتم وضع المعلومات في البوابة العائمة ، كما كان من قبل ، ولكن في منطقة معزولة.

ما يميز BiCS 3D NAND عن تقنية V-NAND ثلاثية الأبعاد هو استخدام خطوط (خطوط) على شكل حرف U. هذا يعني أن الخلايا ليست مجمعة في صف واحد ، ولكن في تسلسل على شكل حرف U. وفقًا لتوشيبا ، يسمح لك هذا النهج بتحقيق أقصى قدر من الموثوقية والسرعة. أصبح هذا ممكنًا بسبب حقيقة أنه في التصميم على شكل حرف U يقع الترانزستور التبديل وخط المصدر في الجزء العلوي من التسلسل (وليس في الجزء السفلي ، كما هو الحال في التصميم "في الخط") ولا يتعرضون لتأثيرات درجات الحرارة العالية ، ونتيجة لذلك يتم تقليل عدد الأخطاء في القراءة والكتابة .

أيضًا ، حقيقة أن مثل هذا التصميم لا يتطلب استخدام الطباعة الحجرية الضوئية في الأشعة فوق البنفسجية العميقة يرتبط أيضًا بمزايا التصميم على شكل حرف U. لذلك ، لتصنيع ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد ، يمكن للشركة استخدام مرافق الإنتاج الموجودة.

من المثير للاهتمام أيضًا أنه في إنتاج BiCS 3D NAND Toshiba لأول مرة في الكتلة ، ستستخدم تقنية الترانزستورات ذات الأغشية الرقيقة (TFT).

بالنسبة للخصائص التقنية لرقائق BiCS ، ستكون هذه عبارة عن بلورات ذاكرة من نوع TLC من 48 طبقة. ستكون كثافتها 256 جيجابايت في الثانية. أثناء الإنتاج ، سيتم استخدام تصحيح تصنيع 30-40 نانومتر. بشكل عام ، فإن خصائص أول كتلة BiCS 3D NAND تشبه إلى حد كبير الجيل الثالث من بلورات Samsung 3D V-NAND.

يعمل تحالف Micron / Intel على تطوير ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد خاصة به. توقع العديد من الخبراء أن جميع مشاريع 3D NAND ستستخدم تقنية CFT ، لكن Micron مع Intel فاجأ الجميع واتخذ مسارًا مختلفًا. أساس ذاكرة الفلاش ثلاثية الأبعاد هي الخلايا ذات الغالق العائم. يجادل ميكرون بأن هذه البنية هي التي تسمح لك بتخزين الشحنة بشكل أكثر موثوقية في الخلية.

بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم 3D NAND تقنية CMOS تحت تقنية Array. معناه هو أن كل منطق التحكم غير موجود بجوار مجموعة الذاكرة ، كما هو الحال في 2D NAND ، ولكن تحته. يسمح لك هذا التصميم بتحرير ما يصل إلى 20٪ من مساحة الشريحة ووضع خلايا الذاكرة في هذا المكان.

يعد ميكرون بإنتاج شرائح ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد بكميات كبيرة هذا العام. ستكون هذه عبارة عن بلورات من 32 طبقة بكثافة 256 جيجابت (MLC) و 384 جيجابت (TLC).

لا يُعرف الكثير عن بنية فلاش SK Hynix 3D. في البداية ، خططت الشركة الكورية الجنوبية لاستخدام خلية ذات مصراع عائم ، ولكن في النهاية وقع الاختيار على تقنية CTF. هذا العام ، يعد SK Hynix بإطلاق الإنتاج الضخم لـ 3D NAND أخيرًا. وستكون هذه رقائق TLC ذات طبقة 48 سعة 256 جيجابايت.

أما بالنسبة لـ OCZ ، فإن مخرجات BiCS SSDs القائمة على ذاكرة فلاش ثلاثية الأبعاد BiCS مدرجة بالطبع في خططنا الفورية. سيعتمد تاريخ إصدار الأجهزة الجديدة على توشيبا ، التي تعد بترتيب توريد رقائق BiCS 3D NAND في النصف الثاني من هذا العام.

Source: https://habr.com/ru/post/ar391899/