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La celda de triple nivel va seguida de una de cuádruple nivel: Qué tiene que ofrecer el desarrollo de celdas 3D NAND

La tecnología 3D NAND flash está muy cerca de conseguir un avance significativo. Esta nueva tecnología de memoria ha logrado grandes progresos en los últimos años y ofrece una alternativa interesante a las memorias 2D NAND usadas en discos de estado sólido SSD. Las arquitecturas de próxima generación, como QLC NAND, muestran la dirección del desarrollo en este sentido.

La memoria 2D NAND flash sorprende por su tiempo de acceso extremadamente rápido, latencia baja, eficiencia energética, diseño robusto y pequeños formatos (small form factors). Los mayores avances técnicos tenían el objetivo de disminuir los costes mediante la minimización de la estructura. Sin embargo, existe un límite físico al alcanzar los 15 nanómetros. Las estructuras de menor tamaño conducirían a más errores al leer los datos y a una merma en la resistencia y en la retención de datos – en definitiva, no se podría garantizar la “integridad” de los datos a largo plazo. Por lo tanto, las innovaciones van en la dirección de la NAND tridimensional (3D NAND) y el incremento del número de bits por celda.

Soluciones actuales: trampas de carga (charge trapping) y puerta flotante

En una memoria 3D NAND flash, se apilan múltiples capas de celdas flash – de manera similar a un edificio de muchas alturas, mejorando así la capacidad significativamente. Aunque la comparación es sencilla, la tecnología que hay detrás es mucho más compleja. En la actualidad, hay dos estrategias que se han convertido en las estándares: floating gate (puerta flotante) y charge trap (trampa de carga). A pesar de que se diferencian completamente en su modo de fabricación, la idea es similar. Con el método floating gate, las cargas se almacenan con una puerta flotante en una puerta aislada eléctricamente entre el canal y la puerta de control, mientras que en el enfoque charge trapping las cargas se almacenan en los centros de trapping, una capa de nitruro de silicio que está separada del canal a través de una capa fina de óxido (efecto túnel). En ambos casos, las capas CG definidas se seleccionan mediante las líneas de la puerta de control o la fila de datos (wordline – WL).

La serie se elige vía las columnas de datos (bitlines – BL). La tecnología de memoria 3D NAND aporta numerosas ventajas tanto a proveedores como a clientes. La mayor densidad de memoria asegura que los fabricantes de flash pueden producir capacidades superiores y más gigabytes por oblea de silicio con un rendimiento parecido. Los clientes, por su parte, se benefician de una reducción en el precio y disfrutan de la misma vida útil. No obstante, los fabricantes todavía tienen que proporcionar un producto 3D NAND que funcionen a altas temperaturas, requisito muy habitual en la industria. Los primeros productos 3D NAND que soportarán rango de temperatura industrial irán llegando a lo largo de 2019.

QLC NAND flash

El aumento en la densidad de memoria no sólo se consigue al apilar celdas de memoria, sino también al incrementar la capacidad de las celdas actuales. Cuando se introdujo la tecnología NAND, sólo estaba dis ponible la arquitectura de celda de un solo nivel (single level cell – SLC) En otras palabras, se podía almacenar un bit por celda de memoria. Posteriormente llegaron celdas multinivel (multi level cell – MLC) y de triple nivel (triple level cell – TLC), que pueden guardar dos y tres bits, respectivamente. Ahora, QLC NAND flash, la próxima generación de arquitecturas 3D NAND, está a la vuelta de la esquina. QLC soporta una celda de cuádruple nivel (quadruple level cell o quad level cell) y, por consiguiente, cuatro bits por celda. Esta arquitectura permite actualmente hasta 96 capas. La cuarta generación de Micron y la quinta generación de Samsung, SK Hynix y Toshiba permitirían hasta 128 capas.

A mayor capacidad, menor vida útil

La principal ventaja de QLC flash es la densidad de memoria considerablemente superior y, por ende, la mayor capacidad. Como resultado, es posible tener huellas de menor tamaño, y los racks de datos pueden ser de hasta 7,7 veces más compactos que usando HDD, ahorrando así un espacio valioso en los centros de datos. Sin embargo, la arquitectura QLC también muestra cierta debilidad. Hay 16 voltajes diferentes por celda de memoria, lo que hace que la escritura de datos sea una tarea más compleja y lenta. Además, disminuye la fiabilidad de la memoria. La validación de los bits individuales es más exigente y las celdas se deterioran tras varios ciclos de escritura, dificultando la determinación de los valores de cada bit. Esto se puede traducir en errores de datos. El ECC (error correction code – código de corrección de errores) resulta de ayuda en este caso, pero no lo suficiente a la hora de compensar este efecto. También afecta de manera negativa a la vida útil de las memorias QLC: con entre 500 y 1.500 ciclos de P/E (programación / borrado, escritura y borrado), es significativamente menor a la de una arquitectura 3D TLC y sustancialmente inferior a la de una arquitectura SLC.

Preparada para aplicaciones de big data

Aun así, se recomienda el uso de QLC flash en muchas áreas de aplicación. Debido a los bajos ciclos de P/E, las memorias se diseñan principalmente para operaciones de lectura (más del 90%). Las memorias QLC se pueden emplear en cualquier aplicación que demande la lectura rápida de grandes cantidades de datos, pero sólo necesite unos pocos procesos de escritura. Esto incluye, por ejemplo, análisis en tiempo real de big data, entradas de datos para inteligencia artificial, provisión multimedia en servicios bajo demanda, bases de datos NoSQL y autenticación de usuario. Para estos tipos de aplicación, el coste total de propiedad (TCO) también es significativamente menor que con HDD, ya que el número total de unidades de memoria requerido es mucho menor, se consume menos energía y se procesan más IOPS. Y, gracias a esta elevada densidad de memoria, también se puede utilizar en aplicaciones para los sectores embebido y móvil.

5210 ION: la primera QLC-SSD

En cooperación con Intel, Micron ha lanzado el primer producto con QLC: la serie Enterprise SSD 5210 ION, que se basa en SATA. El SSD usa cuatro bits por celda con un total de 64 capas. Puede almacenar entre 1,92 y 7,68 terabytes en sólo 2.5”. La velocidad de datos secuencial se sitúa alrededor de 500 Mbps para lectura y 340 Mbps para escritura. La serie 5210 ION está diseñada fundamentalmente para responder a la demanda con procesos de lectura intensiva en la nube. Con la tercera generación de memorias 3D NAND en fase de desarrollo, Micron desea ofrecer la máxima densidad de gigabits por milímetro con un total de 96 capas.

Otros fabricantes pronto estarán en disposición de lanzar sus primeras soluciones QLC: Intel, que ahora desarrolla su propia memoria 3D NAND, de manera independiente a Micron, anunció recientemente la producción del primer QLC SSD basado en PCIe y Toshiba Memory tiene previsto comenzar la producción masiva de BiCS4 QLC NAND en este 2019. Rutronik, Como socio de Apacer, Intel, Swissbit, Toshiba, Transcend y Wilk, mantiene un estrecho contacto con los principales proveedores de memorias de datos. El equipo, Rutronik Storage Team, proporciona a desarrolladores y clientes un servicio completo de soporte y asesoramiento a la hora de elegir la tecnología de memoria adecuada.

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