Flash-Speichertechnologie Was ist 4D-NAND?

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4D-NAND ist eine Weiterentwicklung von 3D-NAND. Es handelt sich um eine Flash-Speichertechnologie mit übereinandergestapelten Speicherzellen, bei der die Steuerschaltungen unter den Speicherzellenstapel verlagert sind. Das erhöht die Speicherdichte und erlaubt es, noch mehr Speicherkapazität auf gleicher Chipfläche unterzubringen.

Den Begriff 4D-NAND hat der südkoreanische Hersteller von Speicherchips SK Hynix, einer der weltweit größten Halbleiterhersteller, geprägt. 4D-NAND ist eine Weiterentwicklung von 3D-NAND respektive V-NAND. Es handelt sich um eine nichtflüchtige Flash-Speichertechnologie, bei der die Speicherzellen in mehreren Ebenen dreidimensional (vertikal) übereinandergestapelt sind und sich die Peripherie mit den Schaltkreisen zur Ansteuerung des Flash-Speichers unter dem Speicherzellenstapel befindet. Das ermöglicht im Vergleich zu normalem 3D-NAND noch höhere Speicherdichten und noch mehr Speicherkapazität auf gleicher Chipgrundfläche.

Die Bezeichnung 4D-NAND ist als ein Marketingbegriff zu sehen, da es natürlich keine echte vierte Dimension in der Architektur des NAND-Flash-Speichers gibt. Es ist keine völlig neue Speicherart, sondern eine Optimierung der bestehenden 3D-NAND-Technologie.

Mithilfe der Technologie lassen sich die Anforderungen moderner Geräte mit hohem Speicherbedarf effizient erfüllen. 4D-NAND kann beispielsweise für SSDs, Smartphones oder KI-Hardware zum Einsatz kommen. SK Hynix stellte 4D-NAND im Jahr 2018 vor und produziert seither Speicher mit dieser Technologie in Serie. Zu den Kunden und Großabnehmern von SK Hynix gehören Unternehmen wie Apple, Microsoft, HPE, Dell, Asus und viele mehr.

Funktionsweise und Aufbau von 4D-NAND

4D-NAND basiert wie 3D-NAND und 2D-NAND auf der NAND-Flash-Technologie. Sie speichert Daten nichtflüchtig in Form elektrischer Ladungszustände in Speicherzellen. Die Speicherzellen sind mithilfe von Floating-Gate-Transistoren oder Charge-Trapping-Speicherelementen realisiert und in größeren Gruppen wie bei einem NAND-Gatter hintereinandergeschaltet (Reihenschaltung).

Die NAND-Flashs arbeiten page- und blockorientiert. Programmiert werden NAND-Speicherzellen, indem eine Spannung an das Control-Gate angelegt wird.

2D-NAND ordnet die Speicherzellen auf der begrenzten Fläche eines Chips planar an. Die Miniaturisierung der einzelnen Speicherzellen und die Dichte ihrer Anordnung lassen sich aber nicht beliebig steigern, da es bei kleinen Zellen immer schwieriger wird, die verschiedenen Ladungszustände zu unterscheiden, und es irgendwann auch zu Störungen durch benachbarte Zellen kommt.

3D-NAND steigert die Speicherdichte, indem die Speicherzellen in mehreren Ebenen übereinandergestapelt und vertikal über Kanäle, durch die die Daten fließen, miteinander verbunden werden.

4D-NAND kombiniert das 3D-Design der Speicherzellen mit der sogenannten PUC-Technologie (Periphery Under Cell). Sie verlagert die Peripherie zur Ansteuerung der Speicherzellen mit der I/O-Logik und den Schaltkreisen, die bei 3D-NAND neben den Speicherzellen platziert sind, in eine separate Ebene unterhalb des Speicherstapels.

Vorteile der 4D-NAND-Technologie

4D-NAND bietet gegenüber 3D-NAND diese Vorteile:

• höhere Speicherdichte und größere Speicherkapazität auf gleicher Chipgrundfläche,

• bessere Performance und höhere Schreib- und Lesegeschwindigkeiten,

• bessere Energieeffizienz und niedrigerer Stromverbrauch,

• längere Lebensdauer und höhere Zuverlässigkeit,

• niedrigere Herstellungskosten.

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