SSDs setzen sich aus vielen einzelnen Speicherzellen zusammen, die sich das Funktionsprinzip von Feldeffekttransistoren zu eigen machen. Um die Informationen zu speichern, weisen die Gates der Transistoren jeweils eine zusätzliche, elektrisch isolierte Halbleiterschicht auf, die als Ladungsfalle (Floating Gate) fungiert und die ihren Ladungszustand - letztlich also die gespeicherte Information - auch ohne Stromversorgung über lange Zeit hinweg erhalten kann.
Bei der Zusammenschaltung der Speicherzellen nutzen alle gängigen SSDs die NAND-Architektur, bei der die einzelnen Zellen in Serie geschaltet sind. Weiterhin unterscheidet man Single-Level-Speicherzellen (SLC), die nur 1 Bit pro Zelle speichern, Multilevel-Speicherzellen (MLC), die zwei Bit speichern können, und Triple-Level-Speicherzellen, die drei Bit speichern können. TLCs haben daher eine höhere Speicherdichte als MLCs, die bei dieser Eigenschaft wiederum den SLCs überlegen sind.
Grenzen der Miniaturisierung
Wie alle Elektronikbausteine wurden und werden die Speicherzellen einer SSD immer kleiner. Betrug in den frühen Zeiten der SSDs der Abstand zwischen den Speicherzellen noch 120 nm, schrumpfte dieses Maß über die Jahre auf 19 nm. Die Miniaturisierung hat jedoch auch Nebenwirkungen. So steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich einzelne Zellen gegenseitig beeinflussen im gleichen Maße wie die Strukturen kleiner werden. Diese Interferenzen können im schlimmsten Fall dazu führen, dass Dateninhalte ungewollt gelöscht oder verfälscht werden. Bei Strukturen von heute weniger als 20 nm ist für "klassische Architekturen" eine kritische Grenze erreicht. Auch für die Fertigungsprozesse bereitet die Miniaturisierung Schwierigkeiten. Der verwendete fotolithografische Strukturierungsprozess stößt im 10-nm-Bereich an seine Grenzen.
Foto: Samsung
Innovation überwindet Limitierung
3D V-NAND zeigt einen Ausweg aus dem Dilemma. Bei 3D V-NAND wird das Floating Gate, das bei herkömmlichen planaren Strukturen aus halbleitendem Polysilizium besteht, durch einen Nichtleiter aus Siliziumnitrid (SiN) ersetzt. Dieser hält die Ladung nach dem Schreibvorgang in Ladungsfallen fest (CTF: charge trap flash) - auch wenn die Speicherzelle nicht mehr mit Strom versorgt wird.
Zusätzlich erfolgt bei 3D V-NAND eine vertikale Anordnung der CTF-Architektur. Das führt zu größeren Strukturgrößen, die wiederum die Gefahr für Interferenzen zwischen den Speicherzellen verringern. Diese V-NAND-Zellen lassen sich vertikal stapeln. Samsungs T1, zum Beispiel, hat in seinem Inneren einen dreidimensionalen Flash-Speicher mit 32 Schichten.
Vorteile von 3D V-NAND
Hohe Datendichte: Mit der vertikalen Stapelung von 32 Layern ergibt sich im Vergleich zu herkömmlichen MLC-Flash-Speichern eine mehr als doppelt so hohe Datendichte.
Hohe Geschwindigkeit: Dank der verringerten Interferenz zwischen den einzelnen Speicherzellen erhöht sich die Programmiergeschwindigkeit der Zellen.
Hohe Haltbarkeit: Die größere Strukturbreite erlaubt mehr Schreibzyklen als bei herkömmlichen Speicherelementen.
3D V-NAND Technologie
