Несмотря на тотальное торжество 3D-подхода в сфере NAND, классическая DRAM продолжает использовать лишь планарные структуры, что мешает и росту объёмов, и снижению удельной стоимости хранения оперативной памяти. Однако NEO Semiconductor обещает положить конец «плоскостной эпохе» с помощью анонсированной на днях технологии 3D X-DRAM.

Источник изображений здесь и далее: NEO Semiconductor

Компания известна своими наработками в области энергонезависимой памяти: разработанная ей технология X-NAND позволяет обойти недостатки, свойственные TLC и QLC — относительно невысокий ресурс и низкую скорость записи. Правда, массового продукта на базе данного решения до сих пор нет. А вот при создании 3D X-DRAM главное внимание было уделено повышению объёмов. Разработчики обещают, что данная технология позволит создать 230-слойные микросхемы объёмом 128 Гбит, что в 8 раз больше, чем у традиционных DRAM-чипов.

Структурно 3D X-DRAM напоминает 3D NAND и базируется на технологии беcконденсаторных ячеек памяти FBC (floating body cell), при которой для хранения заряда достаточно одного транзистора. Она достаточно проста с точки зрения технологического процесса и требует лишь одной маски для формирования вертикальной структуры. Сходство с 3D NAND, позволяющее задействовать уже освоенные технологические процессы, обеспечивает сниженную стоимость и высокую скорость внедрения 3D X-DRAM в сравнении с вариантами 3D DRAM, предлагаемыми другими разработчиками.

Первое поколение чипов DRAM нового типа может увидеть свет уже в районе 2025 года, причём компания-разработчик обещает и быстрые темпы масштабирования: стартовав с отметки 128 Гбит, к 2035 году ёмкость чипа 3D X-DRAM может достигнуть 1 Тбит. В настоящее время технология уже запатентована, а сама NEO Semiconductor планирует начать поиски лицензионных производителей, в числе которых ожидаются крупные поставщики DRAM- и NAND-решений, включая Micron, Samsung, SK Hynix, а также Kioxia с Western Digital.

Технология X-NAND, впервые представленная компанией NEO Semiconductor летом прошлого года, вызвала немалый интерес, поскольку она обещает нивелировать основные недостатки, свойственные флеш-памяти с тремя и более битами на ячейку: пониженный ресурс и низкую скорость записи.

Благодаря использованию унифицированного буфера, способного одновременно обслуживать 16 столбцов (Y-Plane) и ряда других хитростей, разработчикам удалось добиться превосходства QLC X-NAND даже над классической SLC. По крайней мере, в теории. На практике компания использовала четыре слоя по 16 Y-столбцов, что позволяло писать в трёх плоскостях в SLC-режиме, четвёртая же использовалась для параллельного перевода записываемых данных в TLC-режим. Это позволило добиться постоянной скорости записи 1600 Мбайт/с — в 10 раз выше, нежели у обычного чипа TLC.

Структура кристалла X-NAND. Источник: NEO Semiconductor

А совсем недавно было анонсировано новое, второе поколение X-NAND. Для него заявлен двукратный прирост производительности и устроены новые чипы NEO Semiconductor несколько иначе в плане параллелизма: теперь SLC-запись и TLC-уплотнение производятся в каждой паре плоскостей из четырёх имеющихся. Это и позволило поднять скорость записи вдвое, до 3200 Мбайт/с. Разработчики также сообщают о примерно трёхкратном приросте скоростей чтения/записи на случайных операциях и о некотором снижении латентности; при этом размер кристалла X-NAND второго поколения не изменился.

Параллелизация SLC-записи и QLC-уплотнения решает проблему скорости. Источник: NEO Semiconductor

Архитектура поддерживает реализацию вариантов флеш-памяти с практически любым разумным количеством бит на ячейку, от SLC до PLC, технология же позволяет развернуть производство X-NAND на базе техпроцессов любого крупного поставщика NAND-устройств. Если верить NEO Semiconductor, речь идёт о практически нулевых затратах на модернизацию производства под выпуск X-NAND. Увы, компания официально не сообщала, готов ли кто-то из крупных игроков развернуть массовый выпуск новой памяти.

Классическая архитектура NAND-памяти имеет свои пределы: по мере увеличения количества бит на ячейку падает и производительность, и надёжность. Компания NEO Semiconductor, о разработках которой мы рассказывали ранее, получила новые патенты на технологию X-NAND, позволяющую обойти ограничения традиционной флеш-памяти.

Даже переход от MLC к TLC вызвал в своё время множество нареканий, часть из которых удалось обойти переходом от планарной NAND к NAND с 3D-структурами. Но дальнейший рост плотности под вопросом: QLC-накопители не блещут производительностью, особенно при записи; а в случае с PLC ситуация ещё более обострится.

Цена многоячеечности в классической NAND-памяти

NEO Semiconductor предлагает решение, призванное избавить технологию NAND от основных её недостатков. Технология X-NAND позволит сделать QLC-память не только более производительной, нежели классическая SLC, но и более компактной с точки зрения расхода транзисторов и площади кристалла.

Архитектура страничного буфера классической флеш-памяти (слева) и X-NAND

Обычно с падением производительности многоячеечной NAND пытаются бороться увеличением числа одновременно программируемых столбцов (Y-Plane), но это ведёт к резкому росту объёма буферов записи — каждый «слой» требует собственного буфера. В архитектуре X-NAND, однако, один буфер может использоваться для параллельной работы с большим количеством линий, 16 и более. То есть при неизменном объёме буфера количество Y-Plane можно повысить в 16 и более раз, во столько же раз увеличивая и производительность за счёт параллелизма операций чтения и записи.

X-NAND позволит как уменьшить размер кристалла, так и увеличить производительность при прежней площади

Компания опубликовала достаточно подробную документацию, в которой разъясняется ряд нюансов, на которых базируется технология X-NAND. Так, программирование одновременно 16 ячеек с помощью одного страничного буфера достигается за счёт использования импульсов длительностью не более 10 мкс, что позволяет обойтись ёмкостью бит-линий без операций обновления (refresh), а заодно и существенно снизить энергопотребление. Также доступно краткое двухстраничное описание новой технологии.

Запись в SLC и перемещение в QLC в архитектуре X-NAND идут одновременно

NEO Semiconductor считает, что 16 Y-слоёв не предел: при 64 выигрыш в производительности при операциях записи и чтения может достигнуть 22 и 30 раз соответственно; узким местом станет пропускная способность самого интерфейса, а не возможности структур X-NAND. При этом надёжности разработчики тоже уделяют немало внимания: использование укороченных бит-линий позволяет снизить их ёмкость и повысить точность управления, что сделает достаточно надёжным даже пятибитный вариант (PLC).

Оценка преимуществ X-NAND при разном количестве бит на ячейку

Обойти чудовищное падение скорости при записи в технологии X-NAND позволяет возможность параллельного программирования ячеек: свежие данные всегда пишутся в SLC-ячейки, но одновременно с этим идёт процесс их перемещения в TLC/QLC/PLC-области. Таким образом, исключается основная проблема многоячеечных NAND-устройств, а именно сильное падение производительности записи при выходе за пределы SLC-кеша.

Переход на X-NAND позволит сделать QLC- и PLC-накопители быстрыми на всём объёме

Компания NEO Semiconductor уже получила два новых патента США за номерами 11056190 B2 и 11049579 B2, а значит, она намеревается продвигать технологию X-NAND всерьез, лицензируя её ведущим производителям NAND-устройств, таким как SK Hynix с Intel, Micron, Kioxia, Samsung, Western Digital. Если всё сложится удачно, такая память сможет совершить революцию в All-Flash СХД и наверняка заинтересует гиперскейлеров.

Флеш-память NAND используется сегодня везде, от портативных устройств до сверхпроизводительных корпоративных систем хранения данных. У технологии есть свои ограничения, к примеру, увеличение количества бит в ячейке NAND приводит к снижению производительности и надёжности. Компания NEO Semiconductor предлагает своё видение флеш-памяти нового поколения под названием X-NAND, сочетающее в себе высокую плотность хранения данных, свойственную QLC и производительность, характерную для SLC или MLC.

В классической архитектуре буферы занимают существенную часть кристалла

В своё время переход от MLC к TLC вызвал массу вопросов: да, повысить плотность хранения данных удалось на треть (три бита на ячейку вместо двух), однако это привело к необходимости использования восьми программирующих напряжений. Требования к точности работы контроллера возросли, а надёжность такой флеш-памяти, напротив, снизилась. Победить это удалось переходом от планарных технологий к 3D NAND. Но сейчас внедрение QLC и памяти с ещё более высоким числом бит на ячейку вызывает те же вопросы, ставшие ещё острее.

Внедрение более тонких техпроцессов в производстве флеш-памяти исчерпывает потенциал надёжности, достигнутый за счёт внедрения 3D NAND, и в памяти типа QLC количество циклов перезаписи падает вновь. Кроме того, производительность таких устройств часто оказывается ниже всякой критики, особенно на операциях записи. В накопителях потребительского класса такой провал компенсируется активным использованием части флеш-массива в режиме SLC, но для серьёзного применения такой подход не годится, поскольку не обеспечивает устоявшейся производительности в сценариях с постоянной нагрузкой.

X-NAND позволяет обойтись одним буфером, но в 16 раз увеличить степень параллелизма

Увеличить производительность многоячеечной NAND можно путём наращивания количества одновременно программируемых столбцов (Y-plane) — за счёт параллелизма скорость записи серьёзно повышается. Но каждый столбец требует собственного буфера записи (обычно объёмом 16 Кбайт на блок) и уже при 16 «слоях» размер кристалла такой флеш-памяти вырастает на 270%. При этом сама архитектура такова, что количество одновременно проводимых операций чтения или записи не может превышать количества буферов.

Компания NEO Semiconductor предлагает свой выход: в архитектуре X-NAND используется общий буфер. Его объём составляет те же 16 Кбайт на блок, однако на каждую страницу приходится лишь по 1 Кбайт, что позволяет избежать непрактичного «раздувания» кристалла. При этом за счёт параллелизма растёт и производительность: по заявлениям компании-разработчика, память QLC X-NAND в три раза быстрее обычной QLC на случайных операциях, а при линейной записи выигрыш составляет 14 раз.

Память QLC X-NAND может быть быстрее классической SLC NAND

В некоторых параметрах QLC X-NAND даже превосходит классическую SLC NAND, обычную служащую скоростным эталоном; особенно впечатляет скорость чтения: до 11 Гбайт/с на страницу проттив 1,6 Гбайт/с у SLC. При этом надёжность также выше: X-NAND за счёт параллелизма может не столь часто «тревожить» ячейки программирующими импульсами, меньше изнашивая их.

Сама технология, конечно, требует изменений в логике работы контроллера, однако физически адаптировать производство обычной NAND под X-NAND, как сообщает NEO Semiconductor, весьма просто: в самой структуре ячеек X-NAND изменений нет, и общий техпроцесс остаётся прежним. Следовательно, любой потенциальный партнёр компании, располагающий производством NAND, может легко опробовать технологию в действии без существенных денежных затрат.