Inleiding
Intel en Micron hebben onlangs een nieuwe generatie nand met 64 lagen aangekondigd, waarmee het nand-dies tot 512Gbit kan maken. De eerste ssd's met het 64-laagsgeheugen zijn Intels 545-serie ssd's, met in eerste instantie 512GB aan opslagcapaciteit, vooralsnog samengesteld uit 256Gbit-nandchips, Nand met de 512Gbit-capaciteit wordt nog niet in grote aantallen geproduceerd en komt pas in de loop van 2018 beschikbaar.
Toshiba heeft op zijn beurt zijn vierde generatie bics-nand ontwikkeld, dat eveneens 64 lagen heeft, maar als eerste gebruikmaakt van qlc-geheugen in plaats van mlc- of tlc-geheugen. Daarmee kan 768Gbit per die gerealiseerd worden. Ook een partner van Toshiba, Western Digital, gaat ssd's produceren met dit bics4-geheugen.
Tijd om weer eens te kijken wat ook alweer de verschillen waren tussen de nandtypes die IMFT enerzijds en Toshiba anderzijds produceren. En hoe zit het met de grootste flashproducent, Samsung? Ook dat bedrijf is immers net begonnen met de productie van 64-laagsnand, in capaciteiten van 256Gbit per die. De eerste producten moeten externe ssd's uit de T5-serie worden, die van 256Gbit-chips gebruikmaken. Samsungs v-nandtechniek moet verder schalen met meer lagen en hogere capaciteiten, en zo 1Tbit per die bereiken. Maar we beginnen met een terugblik op de flashmarkt en de reden waarom al die fabrikanten eigenlijk geheugen met zoveel lagen, dat enorm lastig te maken is, zijn gaan produceren.
/i/2001559721.png?f=imagenormal)
De geheugenmarkt: een nieuwe verschuiving
De wereld van ssd's lijkt een stagnatiepunt te hebben bereikt. Na het verschijnen van steeds snellere satadrives hebben we een periode gezien waarin de sata-interface de bottleneck vormde. Die werd overwonnen door de introductie van pci-e-ssd's, die aanvankelijk met een sata-interface direct op de pci-e-bus werd aangesloten. Om de prestaties nog verder te verhogen, werd het sataprotocol opgevolgd door het nvme-protocol, waarmee ssd's native konden worden aangesproken. Dat is de huidige stand van zaken: we hebben snelle pci-e-x4-ssd's met nvme-interface, maar waar zit de vooruitgang?
Die zit in twee aspecten: in het volume van ssd's die aan eindgebruikers worden verkocht, en, veel belangrijker, in ssd's die worden verkocht via oem's en odm's die complete desktops en laptops produceren. Als we de Pricewatch raadplegen, zien we daar op het moment van schrijven zo'n 3000 laptops. Daarvan hebben ruim 2300 uitvoeringen een ssd aan boord, en als we budgetlaptops met emmc-opslag en laptops met hybrid drives meerekenen, zijn het er zelfs ruim 2500 met een vorm van nand aan boord. Een jaar geleden waren dat er ongeveer 1600 en in juli 2015 telden we er iets minder dan 1000.
In bovenstaande grafiek hebben we de absolute en relatieve aantallen opslag in laptops op een rijtje gezet. Naast het steeds groeiende aantal verschillende laptopuitvoeringen zien we een duidelijke groei in het aantal ssd's in laptops. Als we alleen kijken naar sata-ssd's, is dat verdubbeld tussen 2014 en 2017, en het totale aandeel nandopslag is gegroeid van een derde naar vier vijfde. In absolute aantallen is de laptopmarkt gestagneerd, maar desondanks betekent dit dat de vraag naar flashgeheugen, alleen al voor laptops, flink gegroeid is. Bedenk daarbij dat de capaciteiten ook zijn gegroeid en het is duidelijk dat de totale nandmarkt in de laatste jaren flink in omvang is toegenomen.
Dat hebben we gemerkt aan de prijzen, want anders dan we gewend waren in de beginjaren van de ssd-opmars, zijn die per gigabyte in de laatste jaren nauwelijks gedaald. Fabrikanten kunnen eenvoudigweg niet aan de vraag voldoen. Dat brengt ons tot het tweede aspect waar vooruitgang te bespeuren valt, namelijk de capaciteit. Dan hebben we het niet zo zeer over de capaciteit van de ssd's die we kopen, want omdat de prijzen onder druk staan, en we maar een bepaald bedrag aan ssd's willen uitgeven, groeit die niet zo hard. We bedoelen de capaciteit van de afzonderlijke nandchips, de dies die op de wafer zitten dus. Juist op dat gebied zien we de laatste tijd interessante ontwikkelingen die we nader zullen bekijken en die op termijn misschien de harde schijf aardig verdringen. De keerzijde is, zoals we zullen zien, dat de snelheden paradoxaal genoeg zakken als de capaciteit toeneemt. Waarom dat is, bekijken we op de volgende pagina's.
Meer lagen, meer capaciteit
Fabrikanten van flashgeheugen hebben een paar opties om meer capaciteit te produceren. De simpelste zou natuurlijk zijn: gewoon het aantal wafers vergroten dat uit de fabriek rolt, ware het niet dat fabrieken al op maximale capaciteit draaien en uitbreiding niet alleen jaren, maar ook miljarden euro's kost. Het aantal flashchips, of beter gezegd dies, in een package vergroten is de meest haalbare optie. Daarmee vergroot je weliswaar de capaciteit, maar de kosten stijgen dan lineair mee. Dit is dus niet de beste optie als je geld wilt verdienen.
Beter is het om de capaciteit per die te vergroten, maar dat is een pittige opgave. Je kunt het bereiken door scaling, het kleiner maken van transistors, maar zeker voor nandopslag zijn kleinere transistors niet altijd beter. Als ze te klein worden, passen er nauwelijks nog ladingdragers, die de bits of de data vormen, fysiek in een geheugencel. Dat is de reden waarom de productie van vlak of planar nand op steeds kleinere nodes gestopt is. Zo'n 16-22nm is wel een beetje het minimum waarmee transistors geschikt zijn voor nand. De oplossing ligt, zoals we eerder schreven, in de hoogte, dus bij 3d-nand.
/i/2001559671.png?f=imagenormal)
Nu zijn nandchips altijd al driedimensionale structuren geweest, met metaallagen over geheugencellen en ondergronden van silicium, maar met 3d-nand wordt de hoogte ingebouwd, met verscheidene lagen transistors boven op elkaar. Vergelijk het met een bungalow versus een flatgebouw; je kunt in het laatste geval op dezelfde grondoppervlakte veel meer kamers kwijt. De grootste fabrikanten van flash, en er zijn nog maar drie of vier echt grote, hebben dat in de laatste jaren gedaan.
De grote drie, Samsung, IMFT en Toshiba/Sandisk oftewel Flash Forward, hebben inmiddels alle drie nand aangekondigd met maar liefst 64 lagen geheugencellen. Vooralsnog zijn het de enige halfgeleiderproducten die zoveel lagen hebben. Het is dan ook extreem lastig gebleken om dit te produceren. Er moeten bijvoorbeeld gaten door alle lagen geëtst worden die een verhouding van 60:1 moeten hebben, anders worden ze te groot. Alleen dat is al een enorme uitdaging, maar 64-laagsnand komt er nu echt aan.
String-stacking
Een 3d-nand, ongeacht of die door Samsung, Flash Forward of IMFT gemaakt wordt, begint met een wafer. Daarop worden eerst de gewenste lagen via cvd gedeponeerd, de een na de ander. Zo wisselt Flash Forward lagen geleidend polysilicium af met isolerend siliciumdioxide en Samsung deponeert laagjes siliciumdioxide boven op lagen siliciumnitride. Wanneer de gewenste aantallen lagen bereikt zijn, wordt een lithografiemasker aangebracht en volgt een stap die nog lastiger is dan het perfect aanbrengen van alle lagen: de etsstap. Er moet een gat worden gemaakt door al die lagen die zijn afgezet om de geheugencellen te produceren. Net als wanneer je een gat in de grond graaft, kun je niet oneindig diep gaan zonder de doorsnede van het gat groter te maken, en dat is het lastige punt. De verhouding tussen doorsnede en diepte kan ongeveer, althans op basis van informatie die fabrikanten vrijgeven, ongeveer 1:40 tot 1:60 bedragen. Dat beperkt het aantal lagen in de praktijk en daarmee dus met hoeveel lagen 3d-nand geproduceerd kan worden.
Daarna volgen nog tal van stappen om de daadwerkelijke gates te produceren, maar voor de overzichtelijkheid illustreren we die alleen met het onderstaande schema van Samsungs productieproces.
/i/2001559631.jpeg?f=imagenormal)
Er is echter een oplossing, namelijk string-stacking. Als de eerste ronde depositie, lithografie, etsen en metalisering klaar is, kan een isolerend tussenlaagje worden aangebracht. Daarna kan het hele proces opnieuw beginnen, al moeten de twee of meer strings geheugencellen wel aan elkaar gekoppeld worden. Zo kan tooling voor 32 lagen met een etsstap die nog goed te doen is, gebruikt worden om twee strings van 32 lagen te 'stacken' en zo nand met 64 lagen te produceren. Niet alle fabrikanten zijn duidelijk over het wel of niet gebruiken van string-stacking, waarschijnlijk om niet te veel informatie aan concurrenten prijs te geven. IMFT zou als een van de weinige fabrikanten string-stackingtechnologie toepassen, terwijl SK Hynix en Flash Forward dat in het midden laten, maar waarschijnlijk eveneens doen. Alleen Samsung zegt zijn 64-laags-v-nand zonder string-stacking te kunnen produceren.
Qlc: meer capaciteit, maar trager
Waarom hebben we het dan over qlc? Omdat dat een andere belangrijke methode is om meer capaciteit uit een die te persen. Vroeger, toen ssd's nog veel geld mochten kosten en weinig capaciteit hoefden te bieden, hadden we slc-geheugen. Een enkele bit per geheugencel werd opgeslagen en kon enorm snel worden gelezen en weggeschreven. Dat komt doordat de lading in een geheugencel moet worden uitgelezen. Eigenlijk gebeurt dat met hele strengen tegelijk, maar dat laten we nu even voor wat het is. Bij slc hoeft alleen maar gemeten te worden of de lading hoog of laag is om een 0 of 1 op te leveren bij uitlezen. Bij schrijven hoeft in principe maar net iets meer dan de helft van de lading negatief te zijn en er is een 1 geschreven.
Toen ssd's wat populairder werden, bedachten flashfabrikanten dat mlc wel goed genoeg zou zijn. Daarmee worden twee bits per cel weggeschreven en zijn er dus geen twee, maar vier toestanden in een geheugencel. Dat levert al wat meer moeite met lezen en schrijven op, want dat moet nu nauwkeuriger gebeuren en duurt dus langer. Bij het schrijven staat er langer spanning op de cellen, waardoor ze meer slijten en de levensduur van mlc, samen met de prijs, omlaaggaat. Bij tlc, of drie bits per cel, worden de spanningsverschillen nog meer verdeeld, duurt het dus langer om te lezen en schrijven, en gaat de levensduur verder omlaag. Daar staat weer een flinke capaciteitsverhoging tegenover, dus lagere prijzen per gigabyte.
/i/2001555913.png?f=imagenormal)
Omdat nu ook de zogeheten koude opslag, die traditioneel door harde schijven of zelfs tape wordt verzorgd, aan de flashevolutie moet geloven én omdat we nog meer opslag voor nog minder geld willen, is qlc-nand bedacht. De ladingsniveaus in de cellen worden nog verder opgedeeld, lezen en schrijven vergen een nog grotere nauwkeurigheid en foutcorrectie-algoritmes hebben het nog zwaarder. De levensduur wat aantal schrijfcycli betreft, zou ook verder zakken, maar het gaat hier meestal om data die nauwelijks vaker dan één keer wordt weggeschreven. Denk aan een filmcollectie op een harde schijf: die wordt hoogstens aangevuld, maar verder slechts incidenteel gelezen. En met qlc krijgt nand de capaciteit die nodig is om echt met de bulkopslagcapaciteit van harde schijven te concurreren. Hoe de verschillende fabrikanten dat doen, bekijken we kort.
64 lagen en meer
We noemden de belangrijkste fabrikanten al even in vogelvlucht, met Samsung, met een marktaandeel van ruim een derde, als grootste. Dan volgen Toshiba, met joint venture Flash Forward samen met WD/Sandisk, en Intels en Microns samenwerking IMFT. De vierde, met nog zo'n tien procent marktaandeel, is SK Hynix. Die moeten we nog even noemen om redenen die zo meteen duidelijk worden.
Samsung
Samsung heeft al vorig jaar, tijdens zijn jaarlijkse SSD Global Summit, zijn nieuwste generatie v-nand aangekondigd. Samsung noemt zijn 3d-nand v-nand en het Zuid-Koreaanse bedrijf produceert dat inmiddels met 64 lagen. Het v-nand van Samsung maakt gebruik van een andere techniek dan IMFT's om lading in de geheugencellen op te slaan. Samsung heeft namelijk charge trap-cellen, waar IMFT floating gates gebruikt. Om 64 lagen te bereiken heeft Samsung de signaallijnen en de isolatie ertussen aanzienlijk dunner moeten maken, wat tot meer weerstand en ruis leidde. Het heeft flink wat r&d gekost om dat op te lossen, maar het heeft geresulteerd in dies van 129mm² met 512Gbit aan capaciteit. Er zijn nog altijd geen producten met het nieuwe 64-laags-3d-nand beschikbaar, maar dat moet dit najaar veranderen.
Toshiba/Sandisk/WD oftewel Flash Forward
Toshiba maakt net als Samsung gebruik van charge-trapgeheugencellen, maar Flash Forward heeft een eigen 3d-techniek ontwikkeld, die het BiCS, een afkorting voor Bit Cost Scaling, noemt. Getuige de naam is dat dus puur bedoeld om de kosten per bit te reduceren zonder kleinere procedés te hoeven gebruiken. BiCS is iets eenvoudiger dan Samsungs v-nand wat structuur en gebruikte materialen betreft. Dure halfgeleidermaterialen als tantalium en high k-diëlektrum zijn daarvoor niet nodig. Het geheugen van Flash Forward, waarvan naast Toshiba ook Sandisk en diens moederbedrijf Western Digital gebruikmaken, heeft inmiddels ook 64 lagen bereikt. De die is iets groter dan die van Samsung, 132mm², en heeft een capaciteit van 512Gbit met tlc-nand. Toshiba heeft echter ook een variant van zijn 64-laags-3d-nand ontwikkeld dat als eerste met qlc-geheugen werkt. Daarmee is de capaciteit vergroot tot 768Gbit per die.
Fabrikant |
Samsung |
Flash Forward |
IMFT |
SK Hynix |
Capaciteit |
512Gbit |
512Gbit (tlc) 768Gbit (qlc) |
768Gbit |
256Gbit (512Gbit eind 2017) |
Aantal lagen |
64 |
64 |
64 |
72 |
Die-oppervlak |
129mm² |
132mm² |
179mm² |
?mm² |
Dichtheid |
3,97Gbit/mm² |
3,88Gbit/mm² |
4,29Gbit/mm² |
?Gbit/mm² |
Bits |
Tlc |
Tlc en qlc |
Tlc |
Tlc |
Celtype |
Charge-trap |
Charge-trap |
Floating gate |
Charge-trap |
String-stacking |
Nee |
Waarschijnlijk |
Ja |
Waarschijnlijk |
Intel en Micron: IMFT
IMFT, de samenwerking tussen Intel en Micron, getuige de naam Intel Micron Flash Technologies, maakt op zijn beurt gebruik van floating gates voor zijn 3d-nand, waardoor het kan terugvallen op een lange geschiedenis cmos-technologie. IMFT is mede daardoor al iets verder dan concurrenten Samsung en Flash Forward, want het heeft al producten aangekondigd en de eerste ssd's met 64-laags-3d-nand zijn in de vorm van Intels 545-ssd al verkrijgbaar. Bovendien heeft IMFT een 64-laags-3d-nand dat een hogere capaciteit haalt dan Samsung en Flash Forward. IMFT propt namelijk 768Gbit op een enkele die, maar die is, met 179mm², wel iets groter dan de concurrenten. De concurrenten moeten namelijk die-ruimte reserveren voor de aansturingslogica om het nand aan te sturen, terwijl IMFT dit dankzij cmos-integratie onder het nand kwijt kan. Let wel, dit gaat niet om de ssd-controller, maar de logica om de bitlijnen uit te lezen.
SK Hynix
Waar Samsung, Flash Forward en IMFT nand met 64 lagen ontwikkelen en in meer of mindere mate productiegereed hebben, heeft de vierde nandproducent, SK Hynix, nand met maar liefst 72 lagen aangekondigd. Dit is inmiddels de vierde generatie 3d-nand van Hynix, maar net als bij de derde generatie is de capaciteit 256Gbit per die. Later dit jaar moeten dies met 512Gbit volgen. De dies zijn echter wel dertig procent kleiner dan de v3-generatie, waardoor het bedrijf kosten bespaart door meer dies uit een wafer te halen. SK Hynix kondigde 3D-V4-generatie al in april aan, maar had moeite de yields voldoende hoog te krijgen. Inmiddels zou dat gelukt zijn en is de massaproductie van start gegaan. Overigens zou SK Hynix ook eigen controllers gaan maken, waardoor het net als Samsung 'verticaal geïntereerd' zou worden en een complete ssd in eigen silicium zou kunnen maken, zonder afhankelijk te zijn van controllers van derden.
Tot slot: richting de harde schijf?
Op de nandmarkt heerst momenteel een tekort aan capaciteit dat deels is terug te leiden tot de toegenomen vraag naar solidstateopslag in datacentra, laptops en andere consumentenelektronica, zoals telefoons. Een groeiend deel van de flashproductie is echter bedoeld voor veel minder zichtbare toepassingen, zoals internet-of-thingshardware en auto's. Dat is naar verwachting een grote groeimarkt, met talloze sensors die data verzamelen en die tijdelijk moeten opslaan. Alleen relevante data zou naar cloudservers verstuurd moeten worden, om bandbreedte, opslagcapaciteit en energie te besparen. Dat vergt een grote hoeveelheid nandopslag, waarvan nu al tekorten zijn en waarnaar de vraag alleen maar zal toenemen.
Fabrikanten hebben daarom in de afgelopen jaren de capaciteit van nand steeds verder opgevoerd, zowel door de lithografie te schalen en chips niet vlak, maar in 3d met vele lagen te produceren, maar ook door steeds meer bits per geheugencel op te slaan. Inmiddels zijn we aangekomen bij 64 en in een enkel geval zelfs 72 lagen geheugencellen die op een die opeengestapeld liggen, waarbij de dies zelf overigens ook nog eens een keer of zestien op elkaar gestapeld worden in een package. Dat betekent dat in een chip inmiddels zo'n 1024 lagen geheugen zitten. Bovendien is 64 lagen geen limiet voor het aantal lagen in een nanddie, want dankzij string-stacking kunnen verschillende stapels op elkaar geproduceerd worden.
Naast meer lagen hebben fabrikanten trucs uitgedokterd om steeds meer data per geheugencel op te slaan. Eerst was dat een enkele bit, inmiddels zijn dat er vier voor qlc-nand. Dat brengt uitdagingen voor foutcorrectie en levensduur met zich mee, maar vergroot ook de capaciteit met een derde. Qlc-geheugen moet in het bijzonder ingezet gaan worden in opslagtoepassingen waar data niet vaak ververst hoeft te worden, zoals cold storage in servers, maar ook waar kostenreductie een belangrijke factor is.
Een neveneffect daarvan is dat ssd's steeds groter kunnen worden. Met een enkele die waarop 768Gbit kan worden opgeslagen, past in een package al 1,5TB. Met vier van die chips in een ssd zit je op een capaciteit van 6TB, groter dan de gemiddelde capaciteit van een 3,5"-harde schijf. We zullen in de komende jaren moeten zien of de productiecapaciteit van nand toereikend is om ssd's de laatste hardeschijfbastions te laten innemen. Daarvoor zal het niet alleen op opslagcapaciteit, maar ook op kosten moeten concurreren.