SSD-Technik: V-NAND soll bei Samsung SDDs mit bis zu 16 TB ermöglichen - Hintergründe

V-NAND soll SDDs mit bis zu 16 TB ermöglichen (3) Nachdem Samsung bereits im letzten Jahr mit dem TLC (3-Bit-MLC-Speicher) einen neuen Flash-Typ einführte, gibt es nun wieder eine Weiterentwicklung: V-NAND, kurz für "Vertical NAND", findet seinen Weg von Server-Speichern in Consumer-SSDs. Die Einführung von TLC wurde kritisch beäugt, da die feinere Fertigung und die erhöhte Speicherdichte die Zuverlässigkeit negativ hätte beeinflussen könnte. Obwohl bisher keine erhöhte Ausfallrate der SSD 840 Evo zu erkennen war, sieht auch Samsung diesen Nachteil, den sie nun mit V-NAND mehr als ausgleichen wollen. V-NAND unterscheidet sich von normalem Flash-Speicher dadurch, dass hier nicht nur die zwei Dimensionen einer Fläche zur Unterbringung von Zellen genutzt wird, sondern auch die dritte, indem Lagen mit Speicherzellen übereinander gestapelt werden. Doch warum ist das vorteilhafter als ein neuer Fertigungsprozess?

Grenzen der aktuellen Fertigungstechnologie

V-NAND soll SDDs mit bis zu 16 TB ermöglichen (15) Die übliche Vorgehensweise zur Erhöhung der Packdichte war es bisher, die Fertigungstechnologie zu verfeinern. So ist der Speicher der SSD 840 Evo in 19 nm Strukturbreite gefertigt. Samsung spricht von der "10-nm-Klasse" beziehungsweise von der "1X"-Fertigung. Das Unternehmen sieht hier vorerst das Ende des wirtschaftlich sinnvollen Verkleinerns der Strukturen erreicht: Eine weitere Verkleinerung der Struktur bringt verglichen mit früher nicht mehr den gleichen Vorteil, der Aufwand für die Entwicklung feinerer Prozesse wird aber immer größer - das Gesetz des abnehmendes Grenzertrages schlägt zu. Zudem sorgt die Nähe der Speicherzellen untereinander dafür, dass sich die elektrischen Felder untereinander beeinflussen. Dadurch sind komplizierte Algorithmen notwendig, um die Korrektheit der Daten sicherzustellen.

V-NAND soll SDDs mit bis zu 16 TB ermöglichen (10) Beide Probleme löst Samsung, indem sie auf aktuelle Fertigungstechnologien setzen, damit aber nicht nur einlagige Chips fertigen, sondern gleich 32-lagige wie aktuell in der Samsung SSD 850 Pro. Die Lagen sind dabei mit einer isolierenden Schicht voneinander getrennt. Die Technik ist allerdings nicht völlig neu, sondern kam bisher bei Datacenter-SSDs zum Einsatz, dort allerdings nur mit 24 Lagen. Zudem hat Samsung die Bauweise der Speicherzellen verändert: Diese sind nicht mehr flach, sondern zylinderförmig mit dem Control-Gate der Zelle in der Mitte. Da sich die elektrischen Felder zwischen diesem und der "p-Si" genannten Schicht aufbauen, kann diese auch nicht mehr andere Speicherzellen beeinflussen. Die Speicherschichten durchziehen den Siliziumblock wie leicht zueinander versetzte Röhren. In einem aktuellen 128-GBit-Chip befinden sich rund 2,5 Milliarden davon.

Was ist damit möglich?

Samsung sieht in dieser neuen Fertigungsmethode von NAND teils extreme Vorteile. Zum einen soll es schneller als planares NAND arbeiten, da durch die wegfallenden Interferenzen die für die Datenintegrität notwendigen Algorithmen einfacher ausfallen dürfen. Die Verifizierungsvorgänge dauern nur noch halb so lange wie bei heutigem MLC-Speicher. Auch die Energieersparnisse gehen zu einem großen Teil auf das Konto dieser Verbesserung.

Zum anderen lassen sich nun auf der gleichen Fläche deutlich mehr Speicherzellen unterbringen. Samsung erklärte dies in der Präsentation anhand des Beispieles eines 128-Gbit/Chips: Das Unternehmen gibt eine Schätzung ab, dass sich durch neue Fertigungsprozesse auf einem Chip mit der heutigen Fläche eines 128-Gbit-Chips maximal vielleicht 256 GBit untergebracht werden können und sich danach keine merkliche Verbesserung mehr zeigen wird: Die maximale Verkleinerung sei damit erreicht. Will man mehr Speicherkapazität, muss V-NAND genutzt werden: Bis 2017 traut Samsung der V-NAND-Technologie Chips mit einem TBit Speicherkapazität zu - auf der Fläche eines heutigen 128-Gbit/-Chips. Nach oben sind der Kapazität kaum Grenzen gesetzt, da immer nur weitere Schichten aufgebracht werden müssen.

Haltbarkeit höher als bei SLC

V-NAND soll SDDs mit bis zu 16 TB ermöglichen (24) Nicht zuletzt soll V-NAND die Haltbarkeit der Zellen extrem verbessern, da Samsung die Zellen planar wie vertikal nicht mehr so zusammenquetschen muss und sie so robuster fertigen kann. Konkret nennt Samsung eine zwei- bis zehnfach höhere Haltbarkeit, was gemäß den Werten des Unternehmens bis zu 1,2-fach robusteren Zellen im Vergleich zu SLC-Speicher entspricht.

Alle diese Vorteile zusammen machen V-NAND für Samsung zur SSD-Technologie der nächsten zehn Jahre und soll mittelfristig TB-große SSDs ermöglichen. Selbst 16 TB große Flash-Speicher sollen bis 2020 möglich sein. Was von diesen Visionen dann schlussendlich eintritt, kann aber wie auch beim TLC-Speicher nur die Zukunft zeigen.

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Samsung setzt in den vor wenigen Tagen vorgestellten Pro-Serien auf V-NAND-Flash und spricht dieser Technologie diverse vorteilhafte Eigenschaften wie niedrigerer Stromverbrauch, höhere Geschwindigkeit und längere Haltbarkeit zu. Wir sehen uns diese neue Flash-Variante genauer an.

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