Flash-Speicher-Technologie Was ist V-NAND / 3D-NAND?

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3D-NAND, auch als V-NAND bezeichnet, ist eine Technologie für nichtflüchtigen Flash-Speicher, bei der die Speicherzellen vertikal in mehreren Layern übereinandergestapelt sind. Durch diese dreidimensionale Anordnung lassen sich höhere Speicherdichten erzielen. V-NAND kommt in SSDs und anderen Speichergeräten zum Einsatz.

Das „V“ in V-NAND steht für das Wort „vertikal“. Bei V-NAND handelt es sich um eine Technologie für nichtflüchtigen Flash-Speicher. Sie wird auch als 3D-NAND oder 3D-V-NAND bezeichnet. Technisch gesehen ist 3D-NAND aber das gleiche wie V-NAND.

Im Gegensatz zu planarem NAND (2D-NAND) sind die Speicherzellen nicht mehr nur in einer Ebene angeordnet, sondern werden auf dem Speicherchip vertikal in mehreren Ebenen übereinandergestapelt. Es ergibt sich eine dreidimensionale Speicherstruktur, mit der sich auf der gleichen Grundfläche höhere Speicherdichten erzielen lassen. Das ermöglicht SSDs und andere Speichergeräte mit größeren Speicherkapazitäten.

Der erste Hersteller, der 3D-NAND in Serie produzierte, war Samsung im Jahr 2013. In den Folgejahren stellten weitere Hersteller ihre Produktion ebenfalls auf dreidimensionalen Flash-Speicher um. Mittlerweile hat die 3D-NAND-Technologie planares NAND größtenteils abgelöst. Die meisten modernen Speicher wie SSDs oder USB-Sticks verwenden heute 3D-NAND.

Eine Weiterentwicklung und Optimierung von 3D-NAND ist 4D-NAND. Der Begriff wurde als Marketingbezeichnung von SK Hynix eingeführt. Bei 4D-NAND handelt es sich um 3D-NAND, bei dem die Peripherie mit den Steuerschaltungen unter den Speicherzellenstapel verlagert ist.

Grundsätzliche Funktionsweise und Aufbau von 3D-NAND

3D-NAND basiert wie 2D-NAND auf der NAND-Flash-Technologie, die Daten in Form elektrischer Ladungszustände in nichtflüchtigen Speicherzellen speichert. Die Speicherzellen werden mithilfe von Floating-Gate-Transistoren oder Charge-Trapping-Speicherelementen realisiert und in größeren Gruppen wie bei einem NAND-Gatter hintereinander in Reihe geschaltet. Die NAND-Flashs arbeiten page- und blockorientiert.

Programmiert wird eine NAND-Zelle, indem eine Spannung an das Control-Gate angelegt wird. 2D-NAND ordnet die Speicherzellen auf der begrenzten Fläche eines Chips planar an. Die Miniaturisierung einzelner Speicherzellen und die Dichte ihrer Anordnung lassen sich aber nicht beliebig steigern, da es bei kleineren 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. Die Anzahl der gestapelten Ebenen wurde über die Jahre kontinuierlich gesteigert. Zu Beginn waren es nur 32 Schichten, heute können 256 Schichten und mehr übereinandergestapelt werden.

Einsatzbereiche von 3D-NAND

3D-NAND ist zum Standard in der Speicherindustrie geworden und kommt in modernen All-Flash-Storage-Arrays, SSDs, USB-Sticks, Speicherkarten und in vielen weiteren Speicherprodukten zum Einsatz. Die 3D-NAND-Flash-Technologie ist auch in Geräten wie Smartphones, Tablets oder Laptops zu finden.

Vorteile von 3D-NAND

3D-NAND bietet gegenüber planarem NAND diese Vorteile:

• höhere Speicherdichte und größere Speicherkapazität (mehr Speicher auf gleicher Grundfläche),

• effizientere Speicherarchitektur und niedrigerer Stromverbrauch,

• bessere Performance und schnellere Datenübertragung,

• zuverlässigerer Speicher mit längerer Lebensdauer, da größere Zellen mit größeren Abständen verwendbar sind,

• niedrigere Herstellungskosten.

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