באוגוסט 2013, Samsung השיקה את הכונן במצב מוצק solid state drive התלת-ממדי האנכי הראשון בשוק, המבוסס על Vertical NAND , ה-SV843, המיועד לשימוש בשרתי חברות ומרכזי נתונים. בעזרת ה-V-NAND 3D, ניתן להתגבר על הקושי העצום למעבר לטכנולוגית 10 ננו-מטר (nm), ה-SV843 מספק עלייה בביצועים של מעל 20 אחוזים ושיפור של מעל 40 אחוזים בצריכת ההספק, דבר העשוי להעניק יתרונות עצומים לשרתי חברות ומרכזי נתונים.
במשך 40 השנים האחרונות, זיכרון הבזק שגרתי היה מבוסס על מבנים מישוריים דו-ממדיים, העושים שימוש בטרנזיסטורים בעלי שער צף (floating gate). מבנים אלה היו מורכבים ממיליארדי תאים המאורגנים בשורות שטוחות, המחוברים יחד במאמץ למזער את ממד ההתקן הסופי.
בתוך התקן 3Gb MLC 1x nanometer 128Gb ישנם כ-43 מיליארדי תאי NAND – מספיק כדי לאכסן 16GB של נתונים. כאשר מתכננים תאי הבזק NAND אלה, המטרה העיקרית היא לכווץ אותם עד כמה שניתן, כך שיותר תאים יידחסו בתוך אותו חלל. באמצעות תהליך זה, מתכננים היו מסוגלים לבנות זיכרונות הבזק NAND בעלי יכולות משופרות.
ב-1999 האכסון הראשון מבוסס הבזק NAND פותח בטכנולוגיה של 120 ננו-מטר. בעזרת טכנולוגיית כיווץ עובדים היום עם טכנולוגיה של 10 ננו-מטר, וזה איפשר ליצרנים להגיע לנפח הגדול פי 64 יותר בתוך אותו מרווח אכסון. ככלל, הקטנה זו בממד בוצעה על-פי חוק Moore, כאשר מספר התאים מוכפל בערך כל שנתיים.
בשעה שטכנולוגיית תהליך הייצור התקדמה לסיווג של 10 ננו-מטר ומעבר לכך, המהנדסים גילו ערנות גוברת לכך שהם עשויים יום אחד להגיע ל”גבול-מידה” (scaling limit) פוטנציאלי. בעוד ההתקנים הוסיפו לרדת בממדים, ככל שיותר ויותר תאים צופפו לתוך אותו מרווח פיזי, מספר אתגרים משמעותיים החלו צצים.
הידוע ביותר בין אתגרים אלה הוא הסבירות של הפרעות בין-התאים. ככל שהמרווח בין התאים פוחת, הם מתחילים להשפיע זה על ההתנהגות של זה באמצעות תופעת הצימוד (coupling). הפרעה זו עלולה לגרום לבסוף לנזק פוטנציאלי ואף להשחתת נתונים.
ככלל, כאשר לתאים יש כלל תכנון של 30 ננו-מטר או יותר, ההפרעות בין התאים ניתנות לבקרה בנקל דרך מאמץ התכנון. אולם, כאשר כלל התכנון קטֵן, הסבירות של השחתת נתונים עולה דרמטית.
בנוסף לאתגרי ההפרעה, הצמצום של תאי ה-NAND גורם גם לקשיים הולכים וגוברים בתהליך הפוטו-ליתוגרפיה. ככל שכלל התכנון פוחת, יותר ויותר קשה למצוא מקור אור מתאים. לדוגמה, מקור האור עבור כלל תכנון של 40 ננו-מטר יכול לשמש לרישום תבנית של מסכת צילום על שבב NAND ללא כל בעיה. אולם, ככל שהתכנון מתקרב ל 1x ננו-מטר, מקור אור זה לא יכול לחדור לתוך התבנית הקטנה יותר. כתוצאה, פיתוח של מקור אור מתאים עבור התבנית של 1x ננו-מטר דורש השקעת ענק בציוד חדש.
להזיז את הגבולות: החיפוש אחרי גבול הספירה
עם צוותי מו”פ שונים מתוך חברות מרובות הפועלים בסוגיות ספירה כאלה, תעשיית ה-NAND נמצאה במרוץ לבחון מי יוכל ליצור תבנית אינטואיטיבית המציעה יותר יכולת לכלל תכנון גדול יותר מבלי לגרום להפרעה בין התאים.
בתוך צוות המו”פ של Samsung, הפיתרון שלנו כלל תבנית אינטואיטיבית אשר אימצה את מושג ה”שכבות” במקום הננו-מטרים. במקום לדחוס יותר תאים בתוך אותו מרחב אופקי, גישה חדשה זו הסתמכה על מבנה מישורי קיים בכיוון אנכי חדש.
רעיון זה ראה אור כאנלוגיה פשוטה בין חיים בבית פרטי וחיים בבניין דירות. היתרונות של יצירת שכבות אנכיות הם דומים לאלה של בניה אנכית. בשעה שפעם בית בן שתי קומות יכול היה לאכסן ארבעה דיירים, כיום בנייני קומות פירושם בכך שמאות דיירים נוספים יוכלו להתגורר בדיוק באותו מגרש, מבלי לצמצם את הממד הכולל של תנאי המגורים שלהם. התוצאה מכך הייתה רמה הרבה יותר גבוהה של יצרניות, בעזרת אותו שטח בדיוק כמו של בית בודד.
על-ידי סידור התאים בשכבה זה מעל זה, Samsungהייתה מסוגלת ליישם את התהליך הזה לזיכרון ה-NAND שלהם, תוך בניה אנכית כדי ליצור את מבנה ה-
(V-NAND” (Vertical NAND”. לראשונה, מבנה זה היה מורכב מ-24 שכבות אנכיות; מספר זה עלה כבר ל-32 שכבות. כתוצאה, הטכנולוגיה נעה עתה מעבר למבנה המישורי של 2D לתוך ממד שלישי – אם כן, ה-VNAND 3D.
היתרונות של ממד שלישי זה לא רק יסייעו להגדיל את נפח האכסון באותו מרחב פיזי, אלא גם ישפרו את הסיבולת של כל תא פרטי. אם המטרה היא בעיקר כתיבה, אזי המשתמשים יראו שיפור פי-חמישה באריכות החיים של ההתקן שלהם. אם מאידך היא בעיקרה קריאה, המשתמשים יכולים לצפות לשיפור פי-10 בסיבולת. יש גם עלייה של 100% במהירות הכתיבה, המסייעת להפחית את צריכת ההספק וחוסכת עלויות תחזוקה נוספות.
דיון טכני
בעוד הרעיון של מעבר מה-NAND האופקי לאנכי נשמע די פשוט, נדרש למעשה כמעט עשור לפתח מבנה פעיל. בתור יצרן הזיכרונות היחיד המציע NAND אנכי, Samsung הייתה חייבת לרשום מעל 300 פטנטים כדי להגן על רכיבי הבסיס הכרוכים באתגרים השונים של המתג.
בין אתגרים אלה מופיעה ההחלטה באיזה חומרים להשתמש. במקום להשתמש במוליכים, דרכם המטענים יכולים לנוע חופשית, טכנולוגיית ה-V-NAND דורשת מבודדים. מבודדים אלה הם קרובים יותר למוצקים, כאשר המטענים שואפים לנוע דרכם בקצב הדרוש. כדי לפתור בעיה זו, צוות המחקר של Samsung בחן את הטכנולוגיה בת-השמונה (Charge Trap Flash) ושינתה את הארכיטקטורה הגלילית שלה. דבר זה איפשר את הפיתוח של מערכת בה המטענים החשמליים מוקמו זמנית בתא אכסון המורכב מניטריד הסיליקון (SiN) ככל שנדרש. טכניקה חדשה זו שימשה כחלופה לשערים הצפים המסורתיים, וסייעה למנוע הפרעה נוספת בין התאים הסמוכים.
עם מפעל לייצור שבבים בשווי של מעל 11 מיליארד דולר, פיתרון האתגרים של ה-V-NAND 3D לא היה זול. אולם עם העלייה של נתונים גדולים, Samsung Semiconductor מאמינה שתעשיית הזיכרונות זקוקה לגישה חדשה במלואה אל הדרך בה היא מאכסנת וקולטת מידע. כיום עולם ה-IT משתנה ממרוכז במחשבים אל מרוכז בנתונים ודרישות האכסון המשתנות במהירות ליותר מהירות, יותר סיבולת ויותר יעילות בהספק. אנחנו לא יכולים להוסיף בלי סוף את מספר מרכזי הנתונים או כמות שרתי האכסון בתוכם.
כדי למלא את דרישות תקופת הטרה-בייט, Samsung מספקת ללקוחותיה בעולם את ה-SV843 SSD V-NAND הקניינית שלה, בעלת הצפיפות הגבוהה והאמינות המצוינת. SV843 מספקת רמה גבוהה ביותר של ביצועים (99% קריאות ב-170µs) במהלך חיי ה-SSD באותה רמת מחירים כמו הצעות אחרות של MLC מבוססות צרכנים.
Samsung תוסיף לחשוף מוצרי V-NAND מהדור הבא עם ביצועים משופרים כדי לענות לצורכי לקוחות שונים עבור אכסון NAND מבוסס-הבזק. מוקדי לקוחות אלה ירוכזו ממרכזי נתונים גדולים היכולים להשיג יכולת השקעה גבוהה יותר המבוססת על ביצועים גבוהים יותר ויעילות אנרגיה ועד יישומי PC המעניקים קדימות גבוהה על יעילות בעלות וצפיפות גבוהה, תוך תגבור נוסף בכושר התחרות של Samsung.
חברת SAMSUNG SEMICONDUCTORS מיוצגת בישראל עי חברת
DATA-JCE ELECTRONICS
לפרטים ניתן לפנות לאתר החברה
