Kioxia (voorheen Toshiba) viert dit jaar het 35-jarig bestaan van nand-flashgeheugen, dat inmiddels te vinden is in onder meer ssd's, smartphones en geheugenkaarten. We geven je een korte terugblik vanaf de piepkleine 4Mbit eeprom om uiteindelijk uit te komen bij de hedendaagse 100TB ssd.
Nand-flash, het prille begin
In 1980 vond de Japanse Toshiba-ingenieur Fujio Masuoka het flash-geheugen uit, dat deze naam zou hebben gekregen omdat het wisproces zijn collega Shoji Ariizumi aan een cameraflitser deed denken. Het duurde echter nog tot 1987 vooraleer nand-flash werd vrijgegeven op de toenmalige International Electron Devices Meeting (IEDM). In dat jaar ging Toshiba nand-flashgeheugen ook commercieel verkopen, met Intel en Samsung volgend in 1989. We tellen het bestaan van flash dan ook vanaf 1987, met daarbij aangetekend dat Toshiba’s geheugendivisie vanaf oktober 2019 door het leven gaat als Kioxia.
Flash eeprom
Partnership Toshiba met SanDisk geeft ontwikkeling een boost
Kioxia belicht in diverse grafieken (pdf) de mijlpalen in zijn nand-flash-ontwikkeling, te beginnen in 1991 met flash eeprom chips met slechts 4Mbit opslagcapaciteit. In 1995 werden de eerste uitwisselbare geheugenkaartjes op basis van nand-flash uitgebracht in de vorm van SmartMedia, de beoogde opvolger van de floppy disk. In het begin was de maximale capaciteit 8 of 16 megabyte en de trage lees- en schrijfsnelheden waren ook geen garantie voor succes.
Het duurde daarom nog tot 1999 toen vanuit een partnership met het Amerikaanse SanDisk de ontwikkeling en productie in een stroomversnelling kwamen. De joint ventures tussen beide flashfabrikanten zijn ook na de overname van SanDisk door Western Digital blijven bestaan. De partners zijn op dit moment samen goed voor ongeveer een derde van de wereldwijde productie van nand-flash.
In 1998 werd voor het eerst multi-level cell-technologie gebruikt om twee bits per cel op te slaan, waarmee een capaciteit van 80 megabyte per chip behaald werd. De opslagcapaciteit nam vlot toe en al in 2001 werd de eerste mlc nand van 1GB geïntroduceerd, waarna de eerste 8GB nand op zich liet wachten tot 2005.
Samsung verdubbelt elk jaar
Samsung was in 2002 de eerste fabrikant die 1Gb-chips in massaproductie nam, die sinds 1999 in ontwikkeling waren. Van 2002 tot 2007 verdubbelde de Zuid-Koreaanse fabrikant elk jaar de capaciteit, tot 64 gigabit per chip. Op dat moment was het proces al doorontwikkeld tot 30nm. In 2006 werd 32Gb-flash op 40nm op de markt gebracht, met een innovatieve technologie.
Samsung's 1 en 2Gb nand-flash geheugenchips.
Charge trap flash maakt gebruikt van gaatjes in een isolerend materiaal om ladingen in op te slaan, die een 0 of 1 voorstellen. Door het verwijderen van de geleidende floating gates werd de crosstalk of interferentie sterk verminderd, wat met de almaar kleiner wordende cellen goed van pas kwam. Met de 10nm-klass van 128Gb-chips liep deze technologie weer tegen zijn grenzen aan.
Vandaag de dag bereiken de geheugenchips capaciteiten van 1TB met 3 (tlc) of 4 bits (qlc) per geheugencel. Met een 1,33 terabit pro chip hebben Kioxia en Western Digital het record in handen.
3D nand plakt laag op laag
In 2007 werd het eerste 3D nand aangekondigd, waarbij de geheugencellen in verschillende lagen op elkaar werden gestapeld, zodat de oppervlaktedichtheid aanzienlijk werd verhoogd en de kosten verlaagd. Het was echter Samsung dat Toshiba vóór bleef met de massaproductie van 3D nand. 2D nand speelt vandaag de dag nauwelijks nog een rol, maar wordt nog wel geproduceerd voor specifieke segmenten. Inmiddels is 3D nand met 176 lagen beschikbaar van bijvoorbeeld Micron en SK Hynix, waarbij de verwachting is dat we in de nabije toekomst de 200 voorbij zullen gaan.
3D nand krijgt meer en meer lagen
Universal Flash Storage voor smartphones doet intrede
In 2013 had nand-flash de smartphonemarkt inmiddels ruimschoots bereikt en kwam Kioxia met Universal Flash Storage (ufs) op de proppen. Hiermee werd een nieuw formaat voor embedded nand aangeduid, dat inmiddels als ufs 3.1 door het leven gaat. Op dit moment is meer dan een derde van de wereldwijde nand-productie bestemd voor telefoons.
Samsung 256GB ufs 2.0 geheugenchips
TSV-technologie zet TB-capaciteiten op de kaart
Twee jaar later werden voor het eerst 16 nand-dies in een chipverpakking geplaatst en met elkaar verbonden via through silicon via (tsv). Deze technologie maakte in 2017 de eerste tlc-geheugenapparaten met 1TB opslagcapaciteit mogelijk, maar werd al snel overtroffen door qlc nand met 1,5TB en een jaar verder door de reeds genoemde 1,33 terabit nand voor 2,66TB per verpakking.
Op dit moment bieden consumenten-ssd’s opslagcapaciteiten tot 8TB, terwijl speciale enterprisemodellen de 100TB al aantikken. De nieuwste ontwikkelingen van Kioxia en Western Digital omvatten de zesde generatie 3D nand (bics 6) met 162 celniveaus, als ook XL-flash dat is bedoeld voor hoge prestaties.
ExaDrive DC100, de eerste 100TB ssd
Kioxia zelf biedt overigens ook ssd’s aan, waarbij het gaat om drives die rechtstreeks op het netwerk zijn aangesloten (nvme over fabrics) en de volgende generatie snelle pcie 5.0 apparaten. Dat overigens niet alles altijd van een leien dakje loopt, bleek onlangs toen Kioxia en Western Digital vanwege een verontreinigde productie zo’n 6,5 exabyte geheugen als verloren moesten beschouwen.
Bron: Computerbase
