ISSCC 2022: Treffen der hochdichten Flash-Speichergenerationen

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Auf der diesjährigen International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) werden die Speicherhersteller über neue Generationen NAND-Flash-Speicher für SSDs, Smartphones und Speicherkarten berichten. Voll im Fokus steht neuer QLC-NAND mit vielen Zellschichten und entsprechend hoher Datendichte.

Der Fahrplan für die am 20. Februar beginnende ISSCC 2022 verrät bereits einige Details zum neuen QLC-NAND von Micron, den Partnern Kioxia und Western Digital sowie von SK Hynix.

Microns 176-Layer-NAND in QLC-Version

Micron ist der Konkurrenz einen Schritt voraus und hat mit der 2400-SSD-Serie bereits erste Produkte mit seinem neuen QLC-NAND angekündigt. Nach der Trennung von Intel hat Micron einen Architekturwechsel vollzogen und setzt auf die sogenannte Replacement-Gate-Architektur. Beim 176-Layer-NAND werden zwei 88-Layer-Türme übereinander gestapelt. Die Chip-Logik erhielt eine eigene Ebene und liegt unter dem eigentlichen Speicherbereich („CMOS under the Array“), was Chipfläche spart und bei neuem NAND üblich ist.

Infografik zu Microns 176-Layer-NAND (Bild: Micron)
Floating Gate versus Replacement Gate (Bild: Micron)
Microns 176-Layer-NAND (Bild: Micron)

Das neue 176-Layer-Design hatte zunächst als TLC-Version mit 3 Bit pro Speicherzelle und 512 Gbit pro Die sein Debüt gegeben. Die QLC-Variante mit 4 Bit pro Speicherzelle besitzt die doppelte Speicherkapazität von 1 Tbit pro Die, das entsprechend größer ausfallen dürfte. Wie groß der Die und die daraus resultierende Flächendichte sind, wollte Micron aber auch auf Nachfrage der Redaktion nicht verraten. Ebenso fehlen Details zur Leistung, abseits der auf 1.600 MT/s beschleunigten I/O-Schnittstelle hält Micron diese noch geheim. Daher wird die ISSCC-Präsentation mit Spannung erwartet.

SK Hynix tut es Micron gleich

In vielen Aspekten ist die siebte Generation (V7) 3D-NAND von SK Hynix jener von Micron ähnlich. Ebenfalls 176 Layer, ebenfalls Logik in eigener Ebene (bei SK Hynix heißt das „4D NAND“) und ebenfalls das TLC-Debüt mit 512 Gbit und 1.600 MT/s stehen auf der Habenseite. Eine der ersten SSDs mit diesem Speicher ist die kürzlich vorgestellte Platinum P41 SSD mit 7.000/6.500 MB/s sowie 1,4/1,3 Millionen IOPS beim Lesen und Schreiben.

SK Hynix 176 Layer NAND (Bild: SK Hynix)

Die langsamere QLC-Variante, die auf der ISSCC näher beschrieben werden soll, besitzt ebenso 1 Tbit pro Die und soll mit Verbesserungen bei der Leselatenz aufwarten. Die Flächendichte ist sehr hoch: SK Hynix nennt 14,8 Gbit/mm². Damit hätte ein Die umgerechnet eine Fläche von knapp 70 mm². Intels 144-Layer-QLC-NAND würde bei der Dichte also geschlagen werden.

Kioxia und WD mit 162 Layern

Vor rund einem Jahr haben Kioxia und Western Digital in Partnerschaft ihre sechste Generation 3D-NAND alias BiCS6 auf der ISSCC 2021 näher vorgestellt, die je nach Angabe über 162 Layer oder mehr als 170 Layer verfügen soll. Auch hier machte eine TLC-Variante den Anfang, die aber bereits als 1-Terabit-Version aufgelegt wird. Bei 98 mm² ist sie allerdings deutlich größer als der QLC-NAND von SK Hynix und die Flächendichte entsprechend geringer.

BiCS6
BiCS5

Chip
1 Terabit TLC (4 Planes)
512 Gbit TLC (4 Planes)

Layer
>170
128

Die
98 mm²
66 mm²

Dichte
10,4 Gb/mm²
7,8 Gb/mm²

Read (tR)
50 µs
56 µs

Program
160 MB/s
132 MB/s

I/O
2,0 Gb/s
1,066 Gb/s

Power
Vcc: 2,35 V bis 3,6 V
Vccq: 1,2 V
Vcc: 2,3 V bis 3,6 V
Vccq: 1,2 V, 1,8 V

Daten vom ISSCC 2021

Kleiner und mit höherer Dichte dürfte die QLC-Variante von BiCS6 ausfallen, die nächsten Monat auf der ISSCC ein Thema ist. Ganz im Trend der Zeit soll ein 4-Plane-Design für mehr Leistung durch mehr parallele Zugriffe sorgen. Die I/O-Schnittstelle soll sogar auf 2.400 MT/s beschleunigt werden; die TLC-Variante war hingegen mit 2.000 MT/s spezifiziert worden.

QLC 3D-NAND im Vergleich

Intel
Intel/Micron
Micron
Kioxia/WD BiCS4
Kioxia/WD BiCS6
Samsung V5
SK Hynix V5
SK Hynix V7

Typ (Bit/Zelle)
QLC (4 Bit)

Kapazität
1 Tbit
1 Tbit
1 Tbit
1,33 Tbit
1 Tbit
1 Tbit
1 Tbit
1 Tbit

Planes
4
4
4
2
4
2
4
?

Layer (WL)
144
96
176
96
162
92
96
176

Die-Fläche
74,03 mm²
114,6 mm²
?
158,4 mm²
?
136 mm²
122 mm²
?

Dichte
13,8 Gb/mm²
8,9 Gb/mm²
?
8,5 Gb/mm²
?
7,53 Gb/mm²
8,4 Gb/mm²
14,8 Gb/mm²

Read (tR) Average
85 µs
90 µs
?
160 µs
?
110 µs
170 µs
?

Read (tR) Max
128 µs
168 µs
?
165 µs
?
?
?
?

Write (tPROG)
1630 µs
2080 µs
?
3380 µs
?
2 ms
2150 µs
?

Program
40,0 MB/s
31,5 MB/s
?
9,7 MB/s
?
18 MB/s
30 MB/s
?

I/O
1,2 Gb/s
0,8 Gb/s
1,6 Gb/s
0,8 Gb/s
2,4 Gb/s
1,2 Gb/s
0,8 Gb/s
?

Block Size
48 MB
96 MB
?
24 MB
?
?
24 MB
?

TLC ist auch ein Thema

Wo es auf Leistung und Haltbarkeit ankommt, ist TLC-NAND trotz der Verbesserungen bei QLC immer noch das Maß der Dinge. Auch dieser Speichertyp wird auf der ISSCC ein Thema sein. Und zwar will Samsung über seine inzwischen achte Generation 3D-NAND alias „V-NAND V8“ sprechen. Bei dieser will der Hersteller bereits mehr als 200 Layer übereinander stapeln. Zwei TLC-Varianten mit 512 Gbit und 1 Tbit pro Die sowie 2.400 MT/s schnellem Interface sind bekanntlich geplant.

TLC 3D-NAND im Vergleich

Kioxia/WD BiCS6
Kioxia/WD BiCS5
Samsung V8
Samsung V7
Samsung V6
SK Hynix V7
SK Hynix V6

Typ (Bit/Zelle)
TLC (3 Bit)

Kapazität
1 Tbit
512 Gbit
1 Tbit/512 Gbit
512 Gbit

Planes
4

Layer (WL)
162
112
200+
176
128
176
128

Die-Fläche
98 mm²
66 mm²
?
~60 mm²
101,58 mm²
~47 mm²
~66 mm²

Dichte
10,4 Gb/mm²
7,8 Gb/mm²
?
8,5 Gb/mm²
5,0 Gb/mm²
10,8 Gb/mm²
7,8 Gb/mm²

Read (tR)
50 µs
56 µs
?
40 µs
45 µs
50 µs
56 µs

Program
160 MB/s
132 MB/s
164 MB/s (?)
184 MB/s
82 MB/s
168 MB/s
132 MB/s

I/O
2,0 Gb/s
1,066 Gb/s
2,4 Gb/s
2,0 Gb/s
1,2 Gb/s
1,6 Gb/s
1,066 Gb/s

Der ISSCC-Fahrplan verrät jetzt schon ein weiteres Detail: Die Schreibgeschwindigkeit auf Die-Ebene soll bei 164 MB/s liegen. Dies wäre zwar marginal schneller als bei Kioxias BiCS6, aber langsamer als bei Samsungs V7, die mit sehr hohen 184 MB/s angegeben wurde. Letztlich muss sich zeigen, ob es bei der Leistung wirklich zurückgeht oder eine andere Rechenbasis bei dem Wert zugrunde liegt.

Der hierzulande wenig bekannte Hersteller Macronix will gemeinsam mit Forschern aus Taiwan über eine 3D-NAND-Variante mit 512 Gbit sprechen, die für das sogenannte In-Memory-Computing mit Unterstützung für „Similar-Vector-Matching Operations on Edge-AI Devices“ bestimmt ist.

Der ISSCC-Fahrplan

Das komplette Programm für die ISSCC 2022 kann über ein PDF (Direktdownload) eingesehen werden. Die Fachkonferenz wird vom 20. bis zum 28. Februar abgehalten. Bedingt durch die Coronapandemie findet das Event in virtueller Form statt.

Auch Intel wird wieder dabei sein und unter anderem über den effizienten Bitcoin-ASIC „Bonanza Mine“ sprechen.