Восстание новой 3D-памяти NAND от Toshiba
Toshiba выпустила новую технологию 3D NAND для хранения данных высокой плотности. AAC опросил Скотта Нельсона Скотта Нельсона, старшего вице-президента подразделения по работе с памятью, и Дуга Вонга, старшего члена технической команды, о том, что нового и почему эти достижения важны.
За последние два месяца Toshiba сделала серию анонсов относительно их продвижения в 3D-флеш-памяти. В конце июня появились известия об их памяти 4-го поколения, которые выросли с 64-го уровня предыдущего поколения до 96, а также анонсирование технологии 4-бит-на-ячейку. Вскоре после этого была анонсирована технология TSV (Through Silicon Via), позволяющая использовать технологию TLC (трехуровневая ячейка).
Недавно AAC поговорил со Скоттом Нельсоном и Дугом Вонгом из команды памяти Toshiba. Они побеседовали с нами о том, почему 3D-память так важна, как они разработали эту новую технологию, и почему кремний по-прежнему является королем в индустрии памяти.
Все изображения, используемые любезностью Toshiba, если не указано иное
AAC: Что вы можете сказать нам о технологии QLC « BiCS » означает?
Скотт: Это означает, что «бит столбца уложен». За этим стоит определенная история. Когда Toshiba впервые представила 3D NAND еще в 2007 году в исследовательском документе, они использовали акроним «BiCS». В этой статье они назвали его «бит стоимостью масштабируемым». На самом деле в Интернете по-прежнему много, что говорит о «масштабируемой стоимости бит». Но в конечном итоге мы решили, что BiCS означала «бит столбцов, уложенных в стек», чтобы указать технологию 3D NAND.
AAC: Почему эти события в 3D-флеш-памяти так важны?
Скотт: Позвольте мне начать с того факта, что общий спрос на хранилище продолжает расти, а также потребность в более высокой плотности и экономичном хранении. Плавающие ворота, как вы знаете, не спешили. Это по сути поразило стену. Таким образом, для того, чтобы технология памяти продолжала развиваться, мы обнаружили, что необходимо использовать ось z и так было рождение 3D-технологии.
Еще раз, когда Toshiba впервые представила концепцию BiCS для IEEE о 3D-технологии. Так что это значит? На самом деле, это просто ваша способность увеличивать плотность на чип. Возьмите 3D-память 4-го поколения, которая является 96-слойной, когда вы складываете 16 чипов в пакете, вы получаете один терабайтный пакет. Это довольно важно, когда вы рассматриваете, сколько мест размещения вы хотите разместить на SSD и действительно увеличиваете плотность.
Вы могли бы сказать: «И что? Почему это так важно?» Но все мы знаем, что корпоративные центры обработки данных все более и более сжимаются с точки зрения операционных задач (таких как потребление и охлаждение высоких энергий) и физические проблемы (например, нехватка места в стойке, нехватка памяти, ограничения веса на полах) и производительность проблемы (например, латентность сети). Технология NAND может помочь решить многие из этих проблем для центра обработки данных. Таким образом, мы видим много ускорения внедрения технологии флэш-памяти в целом в дата-центры.
AAC: Есть ли особенно интересное приложение для крупномасштабного хранения данных, которое, возможно, наши читатели еще не рассмотрели?
Скотт: Мы смотрим на новые приложения в будущем, и для этого требуется все больше и больше данных - будь то приложение, само или по краю. Одним из приложений, которые действительно начинают взлетать, является автомобильная. Многие информационно-развлекательные системы в автомобилях переносятся на флэш-решения. Мы также слышим все больше и больше о ADAS (расширенные системы помощи водителю), поэтому автомобили в будущем могут управлять собой. Если вы думаете о том, что нужно для того, чтобы это произошло, вам потребуется огромная сумма - мы говорим о терабайтах - данных, которые должны быть на машине, чтобы она училась и могла вести себя, Именно здесь флэш-технологии помогут сделать это.
Другая область, на которой мы находимся, - это то, что некоторые люди называют когнитивными технологиями. Машинное обучение, обработка естественного языка, искусственный интеллект, дополненная реальность, виртуальная реальность - все эти приложения довольно круты. Многие люди сегодня могут не обязательно связывать их с тем, что флеш-память действительно может заставить их произойти. Почему вспышка может произойти? Это потому, что он тонкий и легкий, он имеет высокую плотность и помогает удовлетворить проблемы, которые эти новые приложения требуют с точки зрения хранения данных.
AAC: Как большинство людей используют память NAND в проектах и проектах?
Дуг: На стороне памяти большинство людей используют чип контроллера. Так, например, в SSD они используют чип контроллера SSD от разных производителей. Таким образом, это делает его похожим на обычное блочное устройство для большинства пользователей.
С другой стороны, мы также поддерживаем полностью управляемые решения NAND, использующие флэш-память. В отрасли уже есть зрелая технология, которая называется «встроенной мультимедийной картой» или EMFC, и это очень популярно в сотовых телефонах и планшетах. Но новый стандарт, который определяется JEDEC, называется универсальной флэш-памятью или UFS - это своего рода высокоскоростная серийная версия EMFC. Это следующее поколение, которое предназначено для замены EMFC.
Поэтому системные дизайнеры действительно могут выбрать необработанную NAND, но, честно говоря, большинство из них используют какую-то управляемую NAND, независимо от того, находится ли управляемая NAND внутри EMFC или UFS, которая является следующим поколением высокоплотного высокоскоростного встроенного хранилища. Или некоторые могут выбрать форм-фактор SSD-типа, который является M.2, или обычный полноразмерный форм-фактор 2, 5-3 дюйма. Это обычные способы, которыми инженеры-разработчики использовали бы NAND. Контроллер добавляет свою собственную прошивку и позволяет легко получить доступ, поэтому пользователю не нужно беспокоиться о таких вещах, как управление ошибками или выравнивание износа, - все это позаботится прошивкой внутри контроллера.
Сравнение твердотельных дисков mSATA (слева) и M.2 (справа). Изображение предоставлено AnandTech
AAC: Какую роль вы могли бы сказать, что прошивка играет в том, как вы разработали эту технологию памяти?
Дуг: Прошивка определенно важнее, чем когда-либо прежде. Но, к счастью, блоки программного обеспечения, встроенные в операционные системы (например, Linux и Windows), знают, как обрабатывать идеальные блочные устройства. И вот что контроллеры, которые соединяются с NAND, действительно присутствуют во внешнем мире. Поэтому я бы сказал, что тенденция состоит в том, чтобы иметь очень эффективный стек программного обеспечения.
Так, например, я бы сказал, что один из стандартов, который становится очень сильным в SSD-пространстве, - это NVME, который является энергонезависимой памятью Express. Это программный протокол, который стандартизирует установку энергонезависимой памяти на шину DCIE. Конечно, это не специфично для NAND, но NAND flash действительно является тем, что NVME сегодня.
Возможно, в будущем появятся энергонезависимые запоминающие устройства, такие как MRAM (магниторезистивная оперативная память) или ReRAM (резистивная оперативная память) или что-то подобное, которые также являются энергонезависимыми, которые будут подключены. Но в обозримом будущем NVME-накопители (которые в основном являются стандартизованными твердотельными накопителями на основе DCIE) будут там, где это происходит. Это постоянная разработка программного обеспечения, которая действительно влияет на архитектуру хранения на ПК. И это было долгое время, потому что он действительно пытается удалить латентность из стека IO - в стеке программного обеспечения операционной системы. Это не стандартизировалось в прошлом, потому что люди просто поместили энергонезависимую память обратно ближе к процессору. Но NVME помогает сократить время ожидания, и это действительно программная архитектура, которая позволит это произойти.
AAC: Как процесс изготовления изменился для вас при этом переходе на 3D?
Скотт: Поскольку мы переходим из поколения в поколение в 3D-технологии, самым значительным изменением является то, что плотность кристалла примерно на 40% возрастает. Это важно. Желание в отрасли состоит в том, чтобы иметь как можно больше данных от матрицы в пакете.
3D примерно в три-четыре раза дороже плавающих ворот. И многое из того, что вам нужно иметь несколько машин для травления и осаждения, которые помогают с слоями трехмерной флэш-памяти. Пропускная способность в 3D много отличается от плавающего затвора. У нас был наш Fab 2 (производственный объект в Йоккаити, Япония), который ранее занимался некоторыми работами. Мы вернули его на землю и перестроили, чтобы он быстро масштабировался. Это выделено на 100% для 3D-производства. Совсем недавно мы объявили, что мы начали строить Fab 6, который мы строим поэтапно. Первая половина Fab 6 строится, и ожидается, что оболочка будет выполнена к лету 2018 года.
Мы наблюдаем за рынком, поэтому получаем правильное время. Мы приносим оборудование, чтобы поднять эту Fab, чтобы обеспечить выход, который поможет удовлетворить спрос на рынке.
Изображение из архива памяти Toshiba
AAC: эта новая 3D-память по-прежнему работает на кремниевых подложках, но мы видим, что случайные материалы приходят к этой цели, чтобы снять кремний. Можете ли вы прокомментировать материальные науки индустрии памяти?
Дуг: Для памяти кремний по-прежнему кажется самым экономичным выбором. Поэтому нам не нужны характеристики соединений III-V, таких как карбид кремния или нитрид галлия. Однако для других частей полупроводниковой промышленности, в частности таких, как силовые полевые транзисторы, соединения III-V очень важны для таких вещей, как выключатели питания. Поэтому я полагаю, что эти две технологии будут использоваться в любой силовой электронике, будь то освещение или электромобили или возобновляемые источники энергии или инверторы. В будущем это позволит использовать меньшие преобразователи мощности. Но опять же, это технология, которая не требуется для устройств памяти на данный момент.
AAC: Считаете ли вы, что новаторский новый материал для памяти может быть тем, на что вы будете смотреть в будущем?
Дуг: Наверное, не сейчас. Новая система материалов, вероятно, понадобится для таких вещей, как ReRAM. Чтобы сделать ReRAM практичным, нам придется иметь другой способ хранения информации о состоянии. Прямо сейчас, вся флеш-память зависит от какого-то хранилища электронов. Вы храните электроны, чтобы определить состояние этого транзистора для хранения данных. Но ReRAMs принципиально разные. Они потребуют какого-то незначительного изменения материала на атомном уровне. Поэтому, безусловно, материалы будут важны для энергонезависимой памяти следующего поколения, будь то ReRAM или MRAM или что-то в этом роде. Даже в высокоскоростной логике вы бы подумали, что крупные производители процессоров отошли бы от кремния. Но этого еще не произошло. До сих пор нет веской причины иметь процессор на основе не кремния.
Еще нет хорошей замены кремния. Все другие альтернативы являются либо более дорогими, либо нет веских оснований для переноса. Новый материал не будет входить в производство, если у него нет хороших экономических причин или хорошая техническая причина, почему что-то еще не работает.
В первые дни электроники люди использовали Германий, но они нашли кремний намного лучше. Вот почему в 50-е и 60-е годы все перешли на кремний. Они доказали, что диоксид кремния настолько хорош, что это действительно делает полевые транзисторы возможными, в то время как ранние транзисторы были в основном всеми биполярными транзисторами. Вероятно, 99, 999% всех построенных сегодня транзисторов являются полевыми транзисторами.
AAC: Считали ли вы, что вы рискуете исследовать эту технологию 3D-вспышки?
Скотт: Очевидно, что есть преимущество в технологии флэш-памяти, и мы очень целеустремленны в том, что мы делаем. Глядя в будущее, мы знали, что плавающие ворота приближаются к концу и что нам нужно исследовать, какие другие альтернативы были там, чтобы продолжать руководство в отрасли. При этом стало использовать ось z так, чтобы вместо обычного планарного типа схем мы задавались вопросом, что произойдет, если мы возьмем это и уложим его вертикально. Это направление, в котором все прошло. Но я не знаю, что там были намного лучшие альтернативы. Плавающие ворота просто не собирались это делать, поэтому я думаю, что это естественно.
AAC: Таким образом, переход на ось z стал следующим логическим шагом. Каким был процесс его развития?
Скотт: Это фундаментальный сдвиг в плане развития памяти. Это очень сложно, когда вы входите в нее. Попытка вывести 3D на рынок в отрасли в целом и на зрелость оказалась намного сложнее, чем кто-либо из нас считал возможным. Сейчас мы все больше и больше уверены, что мы сможем увидеть 3D-технологию на рынке.
Дуг: Это был сложный процесс. Разумеется, создание планетарного плана было намного проще! Но в какой-то момент количество электронов на ячейку стало слишком маленьким. Я могу сделать так, чтобы ячейка была настолько маленькой, и поскольку мы все еще связаны с одной и той же материальной системой, и нам все еще нужно хранить заряд, существовал предел того, насколько мы могли бы фактически сжать одну ячейку памяти в одной плоскости.
Поэтому, перейдя в 3D, мы могли бы сделать ячейки памяти более крупными, и мы могли бы хранить больше заряда и помещать ячейки дальше друг от друга, чтобы они не мешали друг другу (что называется межячеистой интерференцией). И только увеличивая количество слоев, мы можем увеличить плотность матрицы для следующего поколения. Но это, безусловно, был опыт обучения. Опять же, это было сложнее, чем делать плоские сокращения в прошлом, но индустрия в целом очень быстро приближается к 3D-производству. Я думаю, что оценка заключается в том, что более половины количества бит, которые мы создаем к концу года, будет 3D. Это довольно хороший переход, если половина флэш-бит в мире будет основана на 3D.
Флеш-память третьего поколения Toshiba 3D является частью растущего улучшения от поколения к поколению
AAC: Как вы считаете, насколько быстро эта технология внедряется и внедряется?
Даг: Думаю, для самой отрасли нет выбора! Если бы флэш-память собиралась масштабироваться, необходимо было бы предпринять согласованные усилия, чтобы пойти в 3D-технологию. Каждый изготовитель NAND должен был ехать в этом направлении. Не было выбора. Продолжающийся спрос на вспышку и более дешевую вспышку и более высокую плотность сделал это неизбежным в некотором смысле.
На этой неделе команда Toshiba на саммите Flash Memory встретится в Санта-Кларе!