3D V-NAND: de hoogte in met flash-opslag

Inleiding

Het belang van flashgeheugen kan nauwelijks overschat worden. Van USB-stick tot smartphone, overal treffen we deze schokvaste en snelle vorm van vaste opslag aan. Nu de verkleining van het productieprocedé tegen de natuurkundige grenzen aanloopt, komen fabrikanten als Samsung met een driedimensionale uitwerking. Hoe werkt dat eigenlijk precies? Dat proberen we je in dit artikel uit te leggen.

Samsungs 850 Pro SSD-serie, enige maanden geleden geïntroduceerd, zette niet alleen een nieuwe benchmark neer op het gebied van snelheid. Ook was het de eerste voor consumenten beschikbare SSD die gebruikmaakt van wat Samsung 3D V-NAND noemt. Dit is, heel simpel gezegd, een vorm van flashgeheugen waarbij de transistors niet in een enkele laag (tweedimensionaal) gerangschikt zijn, maar ook in lagen boven elkaar geplaatst zijn. V-NAND staat dan ook voor ‘vertical NAND’. Dat klinkt als een eenvoudige oplossing, maar feitelijk is dit een technisch hoogstandje van de bovenste plank.

De reden voor de ontwikkeling van 3D flashgeheugen (de versie in de 850 Pro’s is Samsungs tweede generatie) is dat het verkleinen van het productieproces op korte termijn niet meer mogelijk is. Zoals bekend is een groot deel van de vooruitgang in de wereld van halfgeleiderchips gebaseerd op het fenomeen van verkleining van het productieprocedé: kleinere transistors betekenen dat er meer op een wafer passen, waardoor dezelfde hoeveelheid transistors (en dus opslag, of rekenkracht) minder kost. Omgekeerd werkt het ook: voor hetzelfde geld krijg je meer opslag of rekenkracht. Dit is feitelijk wat de Wet van Moore stelt: het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling verdubbelt elke twee jaar dankzij deze technologische vooruitgang.

Voor flashgeheugen, dat er in meerdere soorten is maar waarbij we ons hier focussen op het NAND-type, betekent dit dus dat een flashchip bij gelijkblijvende grootte meer capaciteit heeft, naarmate het productieprocedé kleiner wordt. Deze procedés worden tegenwoordig in nanometers aangegeven: 40 nm, 28nm, 22nm, en zo verder. Die aanduiding strookt niet geheel met de realiteit. Het geeft een indicatie van het kleinste onderdeel van het procedé, wat bijvoorbeeld ook de ruimte tussen twee transistors kan zijn. Desalniettemin hebben we het ontegenzeggelijk over zeer kleine afmetingen.

Het verkleinen stelt de halfgeleiderfabrikanten voor steeds grotere uitdagingen én kosteninvesteringen om die te overwinnen. Daarbij zijn twee zaken fundamenteel lastig: in de eerste plaats, hoe fabriceer je het überhaupt en in de tweede plaats, hoe zorg je ervoor dat het blijft werken? Op beide zaken komen we verderop in dit artikel terug. Het aantal bedrijven dat in staat is de kosten voor de overstap naar een nieuw, kleiner productieprocedé op te hoesten, is inmiddels tot een handvol geslonken. Op flashgebied zijn Samsung, Micron, Sandisk/Toshiba en SK Hynix de namen waar het om draait. Welk merk SSD je ook koopt, grote kans dat er flashchips van een van deze vier merken in zit.

Alle zetten in op verkleining van het productieprocedé, maar men weet ook dat daar een einde aan komt. Op een gegeven moment worden transistors zo klein, dat ze uit nog maar enkele atomen bestaan. Op dat punt houden de klassieke natuurkundige wetten op en worden de wetten van de kwantumfysica van toepassing – en die maken voorspelbaar gedrag bijzonder lastig. Dat is een probleem, want je wilt zeker weten dat een bit is weggeschreven: “misschien” is geen antwoord dat je wilt hebben als antwoord op de vraag of je kostbare data is veiliggesteld. Maar ook daarvoor ontstaan er al problemen, waarover verderop meer.

Door allerlei slimme trucs, waaronder ingenieus materiaalgebruik en constructies, lukt het de fabrikanten toch nog om hun productieprocedé te verkleinen. In 2003 voorspelde Intel dat 60 nm de grens was, maar inmiddels heeft het al 14nm transistors in massaproductie. Voor flashgeheugen is Toshiba al op 19nm beland voor massaproductie. In beide gevallen geldt dat formaat zoals gezegd alleen voor de afstand tussen transistors, de transistors zelf zijn marginaal groter. Alle drie de flashfabrikanten werken aan 16nm procedés; voor NAND-transistors lijkt de limiet vooralsnog op zo’n 15nm te liggen. Hoewel voorspelde grenzen dus eerder al werden overschreden, komt het einde van de mogelijkheden van miniaturisatie nu toch echt in zicht. Om die reden werken de bedrijven ook aan alternatieve oplossingen, en Samsung loopt daarmee voorop. Voordat we daarop ingaan, eerst wat over hoe transistors in NAND-geheugen werken en in elkaar steken.

Render van schematische weergave van 3D V-NAND