Tecnologia de Flash NAND 3D

Olá pessoal! Como você sabe, a moderna memória flash planar da NAND quase esgotou seu potencial. Seu principal problema é que fica cada vez mais difícil reduzir o tamanho do cristal. Segundo especialistas, os padrões tecnológicos de 14 a 15 nm se tornarão o limite da memória flash plana, pelo menos em um futuro próximo. E será substituído pela tecnologia da memória flash "vertical" - 3D NAND.

É muito importante entender o que impede a redução adicional do tamanho do cristal. Antes de tudo, o desenvolvimento de processos de fabricação mais refinados requer equipamentos caros, cuja compra pode não ser justificada no futuro do ponto de vista econômico. E se a aquisição de novas máquinas litográficas é um problema solucionável, então o problema do fluxo de carga de uma célula para outra, devido a quais erros ocorrem, não é tão fácil de resolver.

Em suma, a indústria se viu em uma situação em que os recursos da memória flash comum e plana foram esgotados. Portanto, a ideia veio colocar células não apenas no plano, mas também em camadas. Assim, o chip recebe uma estrutura tridimensional e é capaz de reter muito mais informações por unidade de área do que os cristais bidimensionais. A tecnologia é chamada 3D NAND. É importante notar imediatamente que os fabricantes usam várias técnicas para criar memória tridimensional, para que a arquitetura do 3D NAND para cada empresa possa ter suas próprias características e diferenças.

A primeira empresa a estabelecer a produção de memória flash tridimensional chamada 3D V-NAND e unidades baseadas nelas foi a gigante coreana Samsung. Em 2013, eles anunciaram o lançamento dos primeiros chips MLC tridimensionais, com 24 camadas. E um ano depois, uma implementação 3D recebeu uma memória flash TLC, cujo número de camadas aumentou para 32.

Como você sabe, o design de uma memória flash plana é baseado em um transistor de porta flutuante. O obturador flutuante tem a capacidade de reter uma carga por um longo tempo. Como se viu, esta é a principal desvantagem do projeto: quando o processo técnico diminui devido ao desgaste das células, a carga pode fluir de uma célula para outra. Para resolver esse problema, a Samsung usa a tecnologia 3D Charge Trap Flash, que significa “armadilha de carga” em inglês.

Sua essência está no fato de que a carga agora é colocada não em um portão flutuante, mas em uma área isolada de uma célula feita de material não condutor, neste caso, nitreto de silício (SiN). Isso reduz a probabilidade de "vazamento" da carga e aumenta a confiabilidade das células.

Entre outras coisas, o uso da tecnologia CTF tornou os chips de memória mais econômicos. Segundo a Samsung, a economia pode chegar a 40% em comparação com a memória plana.

A célula tridimensional V-NAND 3D é um cilindro, cuja camada externa é uma porta de controle e a camada interna é um isolador. As células estão localizadas uma acima da outra e formam uma pilha, na qual passa um canal cilíndrico feito de silício policristalino comum a todas as células. O número de células na pilha é equivalente ao número de camadas da memória flash.

A memória 3D V-NAND também possui uma velocidade mais alta. Isso foi conseguido simplificando o algoritmo de gravação na célula - agora, em vez de três operações, apenas uma é executada. A simplificação do algoritmo foi possível devido à menor interferência entre as células. No caso da memória planar, devido a uma possível interferência entre células vizinhas, análises adicionais foram necessárias antes da gravação. A memória vertical está livre desse problema e a gravação é feita em uma única etapa.

Bem, algumas palavras sobre confiabilidade. A memória 3D V-NAND é muito menos suscetível ao desgaste devido ao fato de não exigir alta voltagem para gravar informações na célula. Lembre-se de que, para colocar dados em uma célula de memória plana, é aplicada uma tensão da ordem de 20 V. Para a memória tridimensional, esse indicador é mais baixo. A confiabilidade foi afetada favoravelmente pelo fato de a produção de memória flash tridimensional não exigir padrões tecnológicos sutis. Por exemplo, a terceira geração de memória 3D V-NAND com 48 camadas é produzida usando uma tecnologia de processo depurada de 40 nm.

Enquanto a Samsung produzia chips tridimensionais de memória flash com perda (que, aliás, foram oficialmente confirmados por uma empresa coreana), outros fabricantes de memória flash estavam desenvolvendo tecnologias concorrentes. Assim, as empresas Toshiba e SanDisk se uniram para lançar uma memória flash tridimensional BiCS 3D NAND (Bit Cost Scalable).

O trabalho na tecnologia começou em 2007 com os esforços de um Toshiba, e as primeiras amostras de memória flash tridimensional BiCS foram demonstradas em 2009. Desde então, o desenvolvimento da tecnologia não foi acelerado. Além disso, a aliança Toshiba / SanDisk deixou claro que eles não produziriam em massa memória flash 3D até que fosse economicamente viável.

A principal diferença entre a memória flash Toshiba 3D e o flash planar, como no caso do Samsung 3D V-NAND, é o uso da tecnologia CTF em vez dos transistores de porta flutuante clássicos. O nitreto de silício (SiN) também serve como material para a região isolada. O princípio de operação da tecnologia no BiCS 3D NAND permanece o mesmo: as informações não são colocadas no portão flutuante, como antes, mas em uma área isolada.

O que distingue a tecnologia BiCS 3D NAND da 3D V-NAND é o uso de linhas em forma de U (linhas). Isso significa que as células não estão agrupadas em uma linha, mas em uma sequência em forma de U. De acordo com a Toshiba, essa abordagem permite atingir a máxima confiabilidade e velocidade. Isso se tornou possível devido ao fato de que, no design em forma de U, o transistor de comutação e a linha de fonte estão localizados na parte superior da sequência (e não na parte inferior, como no design “in-line”) e não são expostos a efeitos de alta temperatura, como resultado do número de erros na leitura e gravação reduzidos .

Além disso, o fato de que esse projeto não requer o uso de fotolitografia em radiação ultravioleta profunda também se relaciona às vantagens do projeto em forma de U. Portanto, para a fabricação de memória flash tridimensional, a empresa pode usar as instalações de produção existentes.

Também é interessante que na produção do BiCS 3D NAND Toshiba pela primeira vez em massa, use a tecnologia de transistores de película fina (TFT).

Quanto às características técnicas dos chips BiCS, estes serão cristais de memória do tipo TLC de 48 camadas. Sua densidade será de 256 Gbps. Durante a produção, será usado um processo de fabricação de 30-40 nm depurado. Em geral, as características dos primeiros chips de massa BiCS 3D NAND serão muito semelhantes à terceira geração de cristais Samsung 3D V-NAND.

A Micron / Intel Alliance também está desenvolvendo sua própria memória flash tridimensional. Muitos especialistas previram que todos os projetos 3D NAND usariam a tecnologia CFT, mas a Micron com a Intel surpreendeu a todos e tomou um caminho diferente. A base de sua memória flash tridimensional são as células com um obturador flutuante. Micron argumenta que é essa arquitetura que permite armazenar de forma mais confiável a carga na célula.

Além disso, o 3D NAND usa o CMOS Under the Array. Seu significado é que toda a lógica de controle não está localizada próxima à matriz de memória, como em 2D NAND, mas abaixo dela. Esse design permite liberar até 20% da área do chip e colocar as células de memória nesse local.

A Micron promete produzir em massa chips de memória flash tridimensional este ano. Estes serão cristais de 32 camadas com uma densidade de 256 Gbit (MLC) e 384 Gbit (TLC).

Não se sabe muito sobre a arquitetura flash SK Hynix 3D. Inicialmente, a empresa sul-coreana planejava usar uma célula com um obturador flutuante, mas no final a escolha recaiu na tecnologia CTF. Este ano, a SK Hynix promete finalmente lançar a produção em massa de 3D NAND. Serão chips TLC de 48 camadas e 256 Gb.

Quanto à OCZ, a saída de SSDs BiCS com base na memória flash tridimensional BiCS é, obviamente, incluída em nossos planos imediatos. A data de lançamento de novos dispositivos dependerá da Toshiba, que promete providenciar o fornecimento de chips BiCS 3D NAND no segundo semestre deste ano.

Source: https://habr.com/ru/post/pt391899/