Intel und SK Hynix zeigen zwei Wege für die Zukunft von Flash-Speichern

Da die Nachfrage nach Datenspeicherung explodiert, bemühen sich Halbleiterhersteller darum, die Dichte von Speicherchips zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten pro Bit zu senken. Intel und SK Hynix präsentierten auf der 70. IEEE International Solid State Circuits Conference (ISSCC), die Ende Februar in San Francisco stattfand, zwei wichtige Fortschritte, die auf günstigere Solid-State-Speicherlaufwerke mit höherer Kapazität hindeuten.

Intel stellte den ersten dreidimensionalen NAND-Flash-Speicherchip vor, der in jeder NAND-Flash-Zelle fünf Datenbits speichert. Das ist etwas mehr als die heute im Handel erhältlichen 4-Bit-pro-Zelle-Laufwerke. Der 192-Layer-Chip verfügt mit 23 Gigabit pro Quadratmillimeter über die bisher höchste Datendichte und kann insgesamt bis zu 1,67 Terabit Daten speichern.

Der koreanische Hersteller SK Hynix hat unterdessen mit einem 1-TB-NAND-Flash-Speicherchip die 300-Layer-Schwelle überschritten. Der Chip speichert 3 Bit pro Zelle (Triple Layer Cell oder TLC genannt) und hat mit 194 Megabyte pro Sekunde die höchste bisher gemeldete Schreibgeschwindigkeit. Samsung hatte zuvor mit 184 MB/s den besten Schreibdurchsatz für einen 3-Bit-pro-Zelle-NAND-Flash-Speicher, den sie auf der ISSCC 2021 vorgestellt hatten.

„Ich glaube, wir haben die beste Dichte und den besten Schreibdurchsatz für ein TLC-Produkt präsentiert“, sagt Seungpil Lee, Vizepräsident der NAND-Designabteilung von SK Hynix.

Hersteller von NAND-Flash-Speichern haben im letzten Jahrzehnt den Sprung von 2D zu 3D geschafft, um die Einschränkungen der Funktionsgrößenreduzierung zu überwinden. Seitdem haben sie die Speicherdichte regelmäßig erhöht, indem sie die Anzahl der Flash-Zellenschichten in einem Chip erhöht oder die Anzahl der in jeder Zelle gespeicherten Bits erhöht haben. Hynix und Intel gingen diese beiden gegensätzlichen Wege – Hynix durch das Stapeln weiterer Schichten, Intel durch die Verdichtung von Bits.

TLC ist heute der am weitesten verbreitete Flash-Speicher, obwohl 4-Bit-pro-Zelle-Chips auf dem Markt sind. Lee sagt, dass Hynix darüber nachdenkt, sowohl die Anzahl der Schichten als auch die Anzahl der Bits pro Zelle zu erhöhen. Mehr Schichten sorgen für eine höhere Leistung und Bitdichte bei TLC, sagt er. Eine Erhöhung der Anzahl der Bits pro Zelle kann andererseits zu einem größeren und günstigeren Speicher führen, beeinträchtigt jedoch die Leistung, da die Lese- und Schreibgeschwindigkeit beeinträchtigt wird.

Auf dem IEEE International Electron Devices Meeting 2021 prognostizierte Kinam Kim, Vorstandsvorsitzender von Samsung, dass 1.000-Layer-Flash bis 2030 möglich sein könnte. Das ist aus fertigungstechnischer Sicht eine enorme Herausforderung. Flash-Zellen werden hergestellt, indem tiefe, schmale Löcher durch abwechselnde Schichten aus Leiter und Isolator geätzt und die Löcher dann mit Dielektrikum und anderen Materialien gefüllt werden. Das zuverlässige und schnelle Ätzen und Füllen ausreichend tiefer Löcher durch eine zunehmende Anzahl von Schichten hindurch ist eine wesentliche Grenze der Technologie.

Über das Herstellungsproblem hinaus wird es laut Lee immer schwieriger, die NAND-Speicherleistung zu verbessern, wenn die Anzahl der Stapelschichten 300 überschreitet. Das liegt daran, dass jede Schicht im Stapel dünner gemacht werden muss, was den Widerstand erhöht. Dies führt zu Fehlern und verringert die Lese- und Schreibgeschwindigkeit. Hynix nutzte fünf verschiedene Techniken, um diese Herausforderungen zu meistern und mit 300 Schichten einen hohen Schreibdurchsatz zu erreichen.

Laut Intel konnte das Unternehmen seinen neuen hochdichten 5-Bit-pro-Zelle-Chip entwickeln, weil es sich für die Floating-Gate-NAND-Zelltechnologie entschieden hat. Dieses Design speichert Bits in einer leitenden Schicht. Die meisten anderen Hersteller haben sich für die andere wichtige Flash-Zellen-Technologie, Charge-Trap-Flash, entschieden, bei der Ladungen in einer dielektrischen Schicht gespeichert werden, weil dadurch die Herstellungskosten gesenkt werden.

Die Umstellung auf 5 Bit pro Zelle bringt Bedenken hinsichtlich geringerer Ausdauer und Geschwindigkeit mit sich. Um dieses Problem zu lösen, hat Intel spezielle Schnelllesealgorithmen implementiert. Darüber hinaus gibt das Unternehmen an, dass der neue Chip auch im 3-Bit-pro-Zelle- oder 4-Bit-pro-Zelle-Modus betrieben werden kann.

Micron Technology hat letztes Jahr als erstes Unternehmen die 200-Schichten-Marke überschritten und nimmt jetzt Bestellungen für seine 232-Schicht-NAND-Flash-Speichertechnologie entgegen, die eine Bitspeicherdichte von 14,6 Gigabit pro Quadratmillimeter aufweist, doppelt so viel wie die der Konkurrenz der Markt. Um nicht auf der Strecke zu bleiben, kündigt SK Hynix an, noch in diesem Jahr mit der Serienfertigung seiner 238-Schicht-TLC-NAND-Chips zu beginnen.