Není NAND jako NAND

NAND flash je nevolatilní paměť, na které zůstanou informace trvale zachovány i bez přívodu elektrického proudu. Avšak doba její životnosti má své meze, paměťové buňky se mohou poškodit, nemusí přijímat další informace, nebo dokonce mohou ztratit již uložená data.

Každá flash paměť ukládá informace na plovoucí hradlo (floating gate), které je izolované od okolí vrstvou oxidu. Při zápisu, mazání a čtení se pomocí elektrického napětí přivádějí elektrony do plovoucího hradla. Přitom se však opotřebovává izolační vrstva oxidu, což má za následek, že předtím přivedený náboj zase odteče – paměťová buňka je vadná. Kvůli tomu je možný jen omezený počet cyklů zápisu, resp. mazání (cyklů P/E).

Jak dlouho zůstanou informace v buňce uchovány (data retention), závisí na počtu cyklů P/E, ale i na teplotě okolí a použité flash technologii.

U flash technologie SLC (single-level cell) se může do jedné buňky ukládat jeden bit. To znamená, že na plovoucím hradle jsou dvě různé úrovně napětí: nabité a nenabité. Jejich rozlišení je snadné, a proto téměř není chybové. Tato technologie tak chrání před ztrátou dat až 100 000 cyklů zápisů a mazání (P/E).

Nevýhodou je však relativně vysoká cena na jeden bit. Aby se mohla cena snížit, muselo by být možné uložit do jedné buňky více dat, tzn. musel by se zvýšit počet bitů. K tomu účelu se přesněji dávkuje množství náboje v jedné paměťové buňce a jeho rozlišování se přesněji vyhodnocuje.

U flash technologie MLC (multi-level cell) se mohou do jedné buňky ukládat dva bity. To znamená čtyři různé úrovně napětí na plovoucím hradle. Jelikož je lze obtížně rozlišit, roste pravděpodobnost chybovosti. Zde lze očekávat pouhých 3 000 cyklů P/E.

Pozměněnou MLC je technologie eMLC. U této technologie se v různých úrovních napětí pohybuje méně elektronů. Zvýší se tak počet cyklů P/E až na 30 000, zároveň ale klesne míra uchování dat (data retention).

Při použití MLC v provozním režimu SLC (Pseudo-SLC, SuperMLC, SLC Lite, atd.) jde o technologii MLC, která se ovládá jako technologie SLC: Používají se jen dva bity na jednu buňku, takže se musí rozlišovat méně napěťových úrovní a klesá chybovost. Zde je možných 20 000 cyklů P/E.

Flash technologie TLC (triple-level cell) může do jedné buňky uložit tři bity, to znamená na plovoucím hradlu je možných osm napěťových úrovní. Jejich přesné rozlišení je velmi náročné a příslušně chybové. Proto klesá počet očekávaných cyklů P/E na 600 až 900.

„Shrinkování“ je dalším krokem při výrobě flash pamětí za účelem snížení nákladů na bit. Při tom se struktury NAND vytvářejí stále v menších rozměrech, aby se mohlo vyrábět efektivněji. Smrští se tak i plovoucí hradlo a jeho vrstva oxidu – a tím i izolace.

To znamená, že všechny metody pro snížení výrobních nákladů mají za následek kvalitativní zhoršení flash paměti − zvýší se chybovost na bit, současně se sníží počet cyklů P/E, stejně jako výkon a uchování údajů (data retention). Aby se z kvalitativně horší flash paměti udělala průmyslová paměť, je zapotřebí stále složitější management paměti.

Flash paměti pro průmysl

Flash paměť obsahuje kromě paměťové složky i řadič s firmwarem, který přebírá řídicí funkci. Tyto řídicí funkce (features) plní úkoly, které jsou v průmyslovém prostředí nezbytné:

• Wear Leveling zajišťuje rovnoměrné používání všech paměťových buněk, přičemž se zapisuje do těch nejméně opotřebovaných.
• Paged Based Mapping omezuje při ukládání dat skutečně zapsané množství dat do flash paměti. Jelikož se z důvodu fyzické struktury paměti ovládají vždy celé paměťové bloky, může být množství zapisovaných dat podstatně vyšší než množství, které se má vlastně uložit.
• Auto Refresh provádí v neaktivním momentu skenování všech paměťových buněk a kontroluje kvalitu uložených informací pomocí mezní hodnoty. Je-li mezní hodnota překročena, zkopírují se obsažené informace do jiného bloku. Zůstanou tak zachovány i zřídka používané informace.
• Read Disturb počítá počet přístupů pro čtení na jednu paměťovou buňku a při dosažení určitého množství zkopíruje obsah do jiné. Jelikož je při každém čtení negativně ovlivněna jak buňka samotná, tak i okolní buňky, chrání tato horní mez před ztrátou dat.
• Read Retry opakuje přístup pro čtení, pokud se vyskytnou neopravitelné chyby. Tento druhý pokus se provádí s jinou interní úrovní napětí. To vylučuje chyby, které mohou vzniknout z důvodu rozdílných teplot mezi čtením a zápisem.
• Power Fail Protection chrání data při neočekávaném poklesu napětí. Může to být zajišťováno pomocí firmwaru nebo pomocí kondenzátorů.

Zaměření na průmysl

Pro průmyslové nasazení je rozhodující i fixní kusovník BoM (Bill of Material) v kombinaci s oznámením o změně výrobku (PCN – Product Change Notification). Před sériovou výrobou flash paměti jsou všechny používané součásti testovány na jejich způsobilosti pro průmysl. 100% fixní kusovník BoM garantuje, že je veškerý hardware a software paměti identický s dříve testovaným. Změny součásti nebo firmwaru mohou totiž v závislosti na aplikaci mít vážné následky. Aby se jim předešlo, tak spolu výrobci, kteří se zaměřují na průmyslový trh, předem o těchto změnách komunikují v rámci PCN. Zákazníci tak mají dostatek času provést testy a případně nalézt alternativní řešení. Rovněž se zde stanovuje doba posledního nákupu (Last Time Buy) a konec životnosti (End of Life).

Technologický vývoj, jako například shrinkování, naráží na fyzikální meze. Počáteční struktury flash buněk o velikosti 70 nm se snížily až na dnešních 15 nm a dosáhly tak rozměru, který již lze sotva zmenšit. Místo dalšího vývoje tímto směrem se zásadně změnilo dvoudimenzionální uspořádání flash buněk a očekává se nástup třetí dimenze. Tato 3D NAND technologie vertikálně stohuje vrstvy paměťových buněk a vytváří tak podstatně vyšší hustotu paměti, než jaká byla možná u dvoudimenzionální.

V porovnání s 2D NAND má tato paměť menší buňky, menší je elektrická spotřeba, vyšší je kapacita a odolnost.

První 3D NAND flash paměť uvedl na trh Intel ve 3. čtvrtletí roku 2016. Dnes jsou tyto paměti dostupné v provedení MLC a TLC.