QLC to nie koniec? Kioxia prezentuje kości NAND flash typu HLC i wspomina o OCL

Najlepsze SSD wykorzystują obecnie pamięć TLC i modele z kośćmi MLC odeszły już w niepamięć. Dyski z pamięciami QLC stają się jednak coraz powszechniejsze i wygląda na to, że w przyszłości to one mogą stać się najlepszą opcją na rynku. 

Kioxia (dawniej Toshiba Memory) to pierwszy producent pamięci NAND 3D, który zaczął mówić o pamięci 3D NAND z 5 bitami na komórkę (PLC) już w 2019 roku. Naukowcy i inżynierowie Kioxia z pewnością nie chcą spoczywać na laurach i w tym roku zademonstrowali działanie pamięci z 6 bitami na komórkę, czyli hexa level cell lub HLC i wierzą, że możliwe jest nawet 8 bitów na komórkę, czyli octa level cell lub OLC. Jest tu jednak kilka dość istotnych niuansów.

Kioxia z pewnością nie chce spoczywać na laurach i właśnie zademonstrowała działanie pamięci z 6 bitami na komórkę.

Aby przechowywać więcej niż jeden bit na komórkę, pamięć NAND musi utrzymywać wiele różnych poziomów napięcia w tej komórce. Na przykład MLC ma cztery stany na komórkę, TLC wykorzystuje osiem poziomów napięcia, QLC ma 16 poziomów napięcia, a PLC ma ich aż 32. Innymi słowy, dwa zostało wzięte do potęgi na odpowiednim poziomie komórki. Aby przechowywać sześć bitów na komórkę (HLC), komórka ta musi utrzymywać 64 poziomy napięcia (2⁶).

Aby zbudować pamięć 3D NAND z takimi komórkami, producenci muszą stawić czoła wielu wyzwaniom. Muszą znaleźć odpowiednie materiały, które poradzą sobie z przechowywaniem 64 różnych stanów napięcia, a jednocześnie będą w stanie odróżnić te stany. Oznacza to, że stany napięcia nie mogą się wzajemnie zakłócać. Utrzymywanie temperatury w ryzach jest również ważne i staje się coraz trudniejsze przy większym zagęszczeniu bitów na komórkę.

Aby zademonstrować możliwość pamięci HLC, naukowcy Kioxia wzięli jeden z istniejących chipów pamięci 3D NAND i zanurzyli go w ciekłym azocie (-196°C), aby wyeliminować degradację komórek spowodowaną cyklami nadpisywania. Ekstremalnie niskie temperatury pomagają również zmniejszyć zapotrzebowanie na warstwy izolacyjne do tuneli, obniżyć wymagania dotyczące napięcia i ustabilizować materiały. Wszystko to poprawia właściwości fizyczne i procesy zachodzące w układzie scalonym.

Naukowcy z Kioxii zapewnili, że nie tylko zdołali zapisać i odczytać sześć bitów danych z jednej komórki i przechowywać je przez 100 minut, ale także byli w stanie osiągnąć 1000 cykli programu/kasowania (P/E). Oczywiście jest to w dużej mierze zasługą ekstremalnie niskich temperatur. Według szacunków, w normalnych warunkach żywotność pamięci 3D HLC NAND wynosiłaby około 100 cykli P/E. 

Pamięć PLC nie została jeszcze skomercjalizowana, a Western Digital (partner produkcyjny Kioxia) uważa, że ​​po 2025 r. będzie to miało sens tylko w przypadku niektórych nośników SSD. WD twierdzi ponadto, że PLC powoduje zbyt wiele problemów w stosunku do zalet, czyli zwiększenia gęstości o zaledwie 25%.

Z kolei pamięć HLC zwiększa gęstość pamięci flash o 50% w porównaniu z QLC, więc jest bardziej prawdopodobne, że będzie to opłacalne z komercyjnego punktu widzenia. Co więcej, naukowcy z Kioxia uważają, że technologicznie możliwe jest nawet osiem bitów na komórkę OLC 3D NAND przy 256 poziomach napięcia. Zadaniem naukowców i programistów jest teraz znalezienie odpowiednich materiałów, projektu i sterowników, aby HLC i OLC były operacyjne i wykonalne komercyjnie w temperaturze pokojowej.

WD uważa, że dyski z pamięciami PLC zadebiutują najszybciej w 2025 roku

Jeśli to się nie powiedzie, rozwój wielopoziomowych komórek 3D NAND zatrzyma się na PLC, a producenci flash będą musieli skupić się na zwiększeniu liczby warstw, aby zwiększyć gęstość pamięci. Samsung i SK Hynix uważają, że wykonalnych jest 600 do 1000 warstw, co już otwiera drzwi do dysków SSD o bardzo dużej pojemności.

Zobacz także:

• Intel zmienia nazwy procesów technologicznych i robi bałagan. Intel 10 nm to teraz...
• Navi 31 z 15360 rdzeniami i bez CU? Przecieki na temat nowej generacji GPU AMD
• Procesory AMD Ryzen 5000G zaczynają pojawiać się w sklepach. Jak wyglądają ceny? 

Nawet jeśli naukowcom Kioxii uda się sprawić, że HLC i OLC będą działać w temperaturze pokojowej, będą musieli opracować odpowiednie kontrolery, które będą w stanie niezawodnie odczytywać i zapisywać dane z takiej pamięci flash. Takie kontrolery będą musiały obsługiwać niezwykle złożone algorytmy ECC, które będą wymagały znacznej mocy obliczeniowej. Może to okazać się zbyt drogie, by było opłacalne. Do tego dochodzi spadek wydajności związany ze zwiększaniem liczby bitów na komórkę, więc dalszy rozwój w tym kierunku może okazać się bardzo trudny.